Forscher konstruieren Quantengatter aus Quantenpunkten
Wissenschaftler der Universität Würzburg haben zusammen mit Kollegen aus Kanada ein wesentliches Bauelement für einen Quantencomputer, ein so genanntes "quantum gate", realisiert.
Wissenschaftler der Universität Würzburg haben zusammen mit Kollegen aus Kanada ein wesentliches Bauelement für einen Quantencomputer, ein so genanntes "quantum gate", realisiert. In einem Quatengatter werden zwei "qubits" miteinander verknüpft. Während andere Forschergruppen aufwendige Apparaturen wie Ionenfallen für solchen Quantengatter verwenden, realisierten die Würzburger und ihre Kanadischen Kollegen das Gate mit Hilfe so genannter Quantenpunkte aus dem Halbleiter Indium-Arsenid. Die Forscher berichten über ihre Arbeit in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Science ("Coupling and Entangling of Quantum States in Quantum Dot Molecules", Science 291 (2001), Seiten 451-453).
Bei einem herkömmlichen Computer sind die Informationsträger Bits, die entweder den Wert 0 oder 1 annehmen können. Im Quantencomputer dagegen können die "quantum bits" – beispielsweise die Energiezustände eines Atoms – gewissermaßen beide Werte gleichzeitig annehmen. Der Energiezustand eines Atoms etwa – im einfachsten Fall charakterisiert durch einen Grundzustand (Null) und einen Anregungszustand (Eins) – wird erst im Moment seiner Messung festgelegt. Bis dahin enthält er sowohl die Information über den Grund- als auch den Anregungszustand; er stellt eine Überlagerung dieser beiden Zustände dar.
Seine eigentliche Schnelligkeit bezieht ein Quantencomputer daraus, dass die einzelnen Bits nicht getrennt angesteuert werden, sondern alle Bits miteinander gekoppelt sind. Die Forscher sprechen hier von einer Verschränkung: Wird ein bestimmter "quantum bit" (qubit) angesteuert, dann werden aufgrund der Kopplung gleichzeitig auch alle anderen Bits adressiert. Statt einer einzelnen Rechenoperation zu einer bestimmten Zeit sind dadurch gleichzeitig sehr viele Rechenoperationen durchführbar.
Quantenpunkte sind mikroskopische Inseln, meist aus Halbleitermaterial, die sich wegen ihrer Größe von einigen zehn Nanometern physikalisch wie "Riesenatome" verhalten. Mit solchen Inseln lassen sich 1-Elektronen-Schalter realisieren – man kann darin beispielsweise einzelne Elektronen einsperren – sie lassen sich aber auch als maßgeschneiderte Laserbauelemente einsetzen. Der besondere Reiz dieser Strukturen liegt aber in ihrer vergleichsweise einfachen Herstellung nach dem Prinzip der "Selbstorganisation": Man kann zahlreiche Quantenpunkte auf einmal produzieren, indem man zwei atomare Halbleiterschichten mit unterschiedlichen Gitterkonstanten übereinander züchtet, also beispielsweise Indium-Arsenid (InAs) auf eine Gallium-Arsenid-(GaAs-) Oberfläche aufbringt. Durch die Oberflächenspannung bilden sich kleine Perlen von InAs, ähnlich wie Wassertropfen auf einem gut gewachsten Autolack. Das Verfahren lässt sich variieren, um Stapel übereinander liegender Quantenpunktschichten zu züchten.
Die Forscher benutzten nun zwei übereinander angeordnete Quantenpunkte für ihr Experiment. Wird ein Elektron in ein solches "künstliches Molekül" injiziert, so kann es als qubit benutzt werden: Es kann entweder in den einen (logische 0) oder in den anderen Quantenpunkt (logische 1) tunneln. Legt man ein elektrisches Feld an, kann man das Tunneln unterbinden. Werden nun in das künstliche Molekül zwei Ladungsträger injiziert – ein Elektron und ein Loch – so werden die Zustände dieser beiden Teilchen gekoppelt. Somit ist ein so genanntes "quantum gate" und damit ein Bauelement realisiert, das zur Verschränkung zweier qubits dient. (wst)
