Verschränkte Elektronen

Ein Team schweizer und dänischer Forscher hat ein elektronisches Bauteil entwickelt, mit dem sich verschränkte Elektronenpaare produzieren und aufspalten lassen. Damit eröffnen sich sowohl neue Wege, um das Phänomen der Verschränkung mit Elektronen in einem Festkörper zu untersuchen - bislang wurden solche Untersuchungen vor allem mit leichter zu produzierenden Photonen-Paaren durchgeführt - als auch Perspektiven für die Entwicklung von Quantencomputern.

"Nichtlokalität ist eine fundamentale Eigenschaft der Quantenmechanik, die sich in der Korrelation zwischen räumlich getrennten Teilen eines Quantensystems manifestiert", fassen Christian Schönenberger von der Universität Basel und seine Kollegen die Bedeutung der Verschränkung zusammen. "Experimentelle Tests der Nichtlokalität konnten zwar mit paarweise verschränkten Photonen durchgeführt werden, aber bislang war es nicht möglich, ein elektronisches Analogon dazu in einem Festkörper zu realisieren."

Schönenberger und seine Kollegen nutzen als Quelle für ihre verschränkten Elektronen einen Supraleiter. Bei Supraleitung liegen die Elektronen nicht mehr als einzelne Ladungsträger, sondern als verschränkte Cooper-Paare vor. Prinzipiell können diese Cooper-Paare zwar aus dem Supraleiter heraus tunneln. Die Schwierigkeit liegt jedoch darin, die Paare in separate Elektronen aufzuspalten, ohne die Verschränkung zu zerstören.

Das gelingt den Forschern mithilfe von zwei in einer y-förmigen Konfiguration an den Supraleiter angeschlossenen Quantenpunkten. Quantenpunkte sind halbleitende Nanostrukturen, in denen die Beweglichkeit der Elektronen in alle drei Richtungen eingeschränkt ist, sodass ihre Energie nicht mehr kontinuierlich ist, sondern wie in einem Atom nur noch diskrete Werte annehmen kann.

Die Quantenpunkte können deshalb so konfiguriert werden, dass sie nur ein einziges Elektron zurzeit aufnehmen können. Die beiden Elektronen des Cooper-Paares sind deshalb gezwungen, jedes in einen der beiden Quantenpunkte einzudringen und können dann von dort über angeschlossene Kontakte weiter auseinander geführt werden.

In ihren Experimenten mit dem lediglich zwei Tausendstel Millimeter großen Bauteil gelang es Schönenberger und seinen Kollegen, etwa zwei Prozent der über den Supraleiter in die Anordnung eingespeisten Elektronen an den beiden Ausgängen des y-förmigen Bauteils als verschränkte Paare zu erhalten. "Das mag wenig erscheinen, ist aber bereits um viele Größenordnungen besser als die derzeit effektivste Produktion von verschränkten Photonen", so die Wissenschaftler. Verschränkte Photonen werden zumeist durch die so genannte "parametric down-conversion" in nichtlinear optischen Kristallen erzeugt. Bei diesem Verfahren beträgt die Effizienz lediglich 10^-12.

Damit eröffnet sich nun die Möglichkeit, die Verschränkung nicht nur an Photonen, sondern auch an frei beweglichen Elektronen in einem Festkörper zu untersuchen. Außerdem, so Schönenberger und seine Kollegen, sind die mit dem Cooper-Splitter erzeugten verschränkten Elektronen eine viel versprechende Alternative zu Photonen im Bereich Quantencomputer und Quantenkryptografie.

Rainer Kayser

AL