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Universität Basel

07. September 2015

Verbesserte Stabilität von Elektronenspins in Qubits

Doppelter Quantenpunkt: Die die drei oberen und unteren Kontakte halten bis zu zwei einzelne Elektronen gefangen, deren Spinzustände die quantenmechanische Informationseinheit bilden. Bei den seitlichen Kontakten handelt es sich um Sensoren. (Bild: Universität Basel, Departement Physik)
Doppelter Quantenpunkt: Die die drei oberen und unteren Kontakte halten bis zu zwei einzelne Elektronen gefangen, deren Spinzustände die quantenmechanische Informationseinheit bilden. Bei den seitlichen Kontakten handelt es sich um Sensoren. (Bild: Universität Basel, Departement Physik)

Das Rechnen mit Elektronenspins im Quantencomputer setzt voraus, dass die Spinzustände ausreichend lange andauern. Physiker der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Institute konnten nun zeigen, dass ein Austausch von Elektronen in Quantenpunkten die Stabilität dieser Information grundlegend beschränkt. Die Kontrolle dieses Austauschprozesses ebnet den Weg, um bei der Kohärenz der fragilen Quantenzustände weitere Fortschritte zu erzielen. Dies berichten die Basler Forscher in der Fachzeitschrift «Physical Review Letters».

Die Grundidee des Quantencomputers besteht darin, die Nullen und Einsen der heutigen Bits durch Quantenzustände, kurz Qubits, zu ersetzen. Qubits sind Informationseinheiten, die nicht nur die Werte null und eins annehmen können, sondern bei denen null und eins gleichzeitig und in beliebiger Mischung in einer Quanten-Überlagerung möglich sind. Qubits lassen sich zum Beispiel mit den Spins einzelner Elektronen realisieren, die in nanometergrossen Strukturen aus Halbleitermaterial, sogenannten Quantenpunkten, festgehalten werden. Durch Ausnutzung quantenmechanischer Prinzipien wie der Überlagerung kann ein Quantencomputer enorme Rechengeschwindigkeiten erreichen – aber nur, wenn die Elektronenspins ausreichend lange andauern.

In den vergangenen Jahren liess sich diese sogenannte Kohärenzzeit auf über eine Millisekunde ausdehnen, indem es gelang, durch Kernspins verursachte Störung zu reduzieren. Damit gewann die Frage an Bedeutung, welche weiteren Ursachen die Stabilität der Elektronenspins beeinträchtigen.

Austausch von Elektronen entdeckt

Physiker der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Institute haben nun festgestellt, dass die Kohärenz der Qubits durch einen Vorgang beschränkt wird, bei dem einzelne Elektronen zwischen einem Quantenpunkt und einem externen Reservoir ausgetauscht werden. Das Reservoir stellt eine Art Elektrode dar, die mit dem Quantenpunkt in Kontakt steht und für die Messungen benötigt wird.

Die Forscher um Professor Dominik Zumbühl beobachteten im Experiment, dass ausgelöst durch eine thermische Anregung ein Elektron aus dem Quantenpunkt ins Reservoir springt und kurz darauf ein anderes Elektron aus dem Reservoir in den Quantenpunkt wechselt.

Durch den Austausch entsteht ein kurzlebiger Ladungszustand, den die Basler Forscher nun erstmals mit einem Ladungssensor nachweisen konnten. Der Austauschprozess führt auch dazu, dass die Elektronenspins regellos angeordnet werden, wodurch die Quanteninformation verlorengeht.

Grundlegender Prozess für Kohärenz

Aufgrund der experimentellen Beobachtungen konnten die Forscher die bisherige theoretische Beschreibung von doppelten Quantenpunkten, die zwei Elektronen aufweisen können, entscheidend erweitern. Zudem gelang es, die Intensität des temperaturabhängigen Austauschprozesses zu beeinflussen, indem sie die Elektronen auf 60 Millikelvin herunterkühlten. Zugleich liess sich der Prozess verlangsamen und die Stabilität der Spins ausdehnen, indem sie die Spannungen an den Zugängen des Quantenpunktes, den sogenannten Gates, veränderten.

Das Verständnis und die Kontrolle dieses für Quantenpunkte grundlegenden Austauschprozesses ebnet den Weg, um bei der Kohärenz von Qubits weitere Fortschritte zu erzielen. Gleichzeitig eröffnet sich damit eine Möglichkeit, um in den Quantenpunkten schnell die gewünschten Spinzustände zu erzeugen.

Umsetzung eines theoretischen Konzepts mit Basler Wurzeln

Der Ansatz, Quantenpunkte in Halbleitern zu verwenden, um den Spin eines einzelnen Elektrons als Qubit zu nutzen, geht auf Prof. Daniel Loss von der Universität Basel und den amerikanische Physiker David DiVincenzo zurück. Ihr Konzept, das sie 1998 vorgelegt hatten, verfügt auch über das Potenzial, Quantencomputer mit vielen verbundenen Spin-Qubits zu realisieren. Die aktuelle Studie entstand in Zusammenarbeit mit Forschern der University of St Andrews (GB) und der University of California, Santa Barbara (USA).

Originalbeitrag
D. E. F. Biesinger, C. P. Scheller, B. Braunecker, J. Zimmerman, A. C. Gossard, D. M. Zumbühl
Intrinsic Metastabilities in the Charge Configuration of a Double Quantum Dot
Physical Review Letters 115 (2015), doi: 10.1103/PhysRevLett.115.106804


Weitere Auskünfte
Prof. Dr. Dominik Zumbühl, Universität Basel, Departement Physik, Tel. +41 61 267 36 93, E-Mail: dominik.zumbuhl@unibas.ch

Bildmaterial
Ein druckfähiges Bild zu dieser Medienmitteilung findet sich in der Mediendatenbank.

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