Forschungserfolg an der TU München Quantencomputer aus gängigen Halbleitermaterialien

Alexander Bechtold am Laser-Tisch seines Labors im Walter-Schottky-Institut der TU München.
Alexander Bechtold am Laser-Tisch seines Labors im Walter-Schottky-Institut der TU München.

Physiker der TU München, des Los Alamos National Laboratory und der Universität Stanford haben Mechanismen aufgespürt, aufgrund derer gespeicherte Informationen verloren gehen können – und stoppten das »Vergessen«. Diese Nanostrukturen lassen sich mit den üblichen Halbleiterprozessen herstellen.

Quantenbits, kurz Qubits, sind die Grundelemente der »Quanten-Informationstechnologie« (QIT), die möglicherweise die Zukunft der Computer darstellt. Weil er Probleme quantenmechanisch verarbeitet, könnte ein solcher Quantencomputer einmal komplexe Probleme mit weit höherer Geschwindigkeit lösen als heutige, so die Hoffnung.

Prinzipiell gibt es verschiedene Möglichkeiten, solche Qubits zu realisieren: Photonen kommen hier ebenso infrage wie gefangene Ionen oder Atome, deren Zustand jeweils gezielt mithilfe eines Lasers verändert werden kann. Die Kernfrage für eine mögliche Anwendung als Speicherbaustein ist, wie lange sich Informationen in einem System sichern lassen und welche Mechanismen zum Verlust einer gespeicherten Information führen.

Physiker um Alexander Bechtold und Professor Jonathan Finley vom Walter-Schottky-Institut der Technischen Universität München und des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM) haben nun ein aus einem einzelnen Elektron bestehendes System vorgestellt, das in einer Halbleiter-Nanostruktur gefangen ist. Informationsträger ist hierbei der Elektronenspin. Die Forscher konnten einerseits verschiedene Verlustmechanismen erstmals exakt nachweisen und andererseits zeigen, dass sich die gespeicherte Information mithilfe eines starken, äußeren Magnetfelds dennoch erhalten lässt.

Die TUM-Physiker bedampften für ihre Nanostruktur ein Substrat aus Galliumarsenid mit Indium-Galliumarsenid. Aufgrund der unterschiedlichen Gitterabstände beider Halbleitermaterialien verspannt sich das Kristallgitter am Übergang. Das System bildet daher in regelmäßigen Abständen wenige Nanometer große »Hügel«, sogenannte Quanten-Dots (Bild 1).

Kühlt man die Quantenpunkte auf die Temperatur flüssigen Heliums und regt sie optisch an, ist es möglich, ein einzelnes Elektron gezielt in diesen Quanten-Dots gefangen zu halten. Die Spin-Zustände des Elektrons lassen sich dabei als Informationsspeicher nutzen. Laserpulse können sie optisch von außen lesen und verändern. Daher stellt das System einen idealen Grundbaustein zum Aufbau künftiger Quantencomputer dar. Spin-up oder Spin-down entsprechen hierbei den klassischen Informationseinheiten 0 und 1, dazu kommen aber außerdem noch die Zwischenzustände aus den quantenmechanischen Überlagerungen von up und down.