Elektronenspin mit Mikrowellen-Photonen gekoppelt

  • 23. July 2015

Methode könnte ein störungs­freies Aus­lesen von Qubits in ska­lier­baren Fest­körper­systemen ermög­lichen.

Wenn Quantencomputer mit der Hilfe von Spinzuständen rechnen, müssen diese auch ausge­lesen werden. Eine elegante Methode dazu entwick­elten nun französische Physiker der Université Paris-Diderot-Sorbonne. Sie schafften es, einen Elektro­nenspin mit Photonen zu koppeln. Trotz geringer Dauer dieser Kopplung von sechzig Nano­sekunden lassen sich mit dieser Methode Spins zerstö­rungs­frei bestimmen und viel­leicht auch über größere Distanzen miteinander verknüpfen.

Mikroskopaufnahme des doppelten Quantenpunkts und der Mikrowellen-Kavität, die eine Kopplung zwischen Elektronenspin und Photon erlaubt. (Detailvergrößerung rechts; Bild: J. J. Viennot et al., USPC)

Abb.: Mikroskopaufnahme des doppelten Quanten­punkts und der Mikrowellen-Kavität, die eine Kopplung zwischen Elektro­nenspin und Photon erlaubt. (Detail­vergrö­ßerung rechts; Bild: J. J. Viennot et al., USPC)

„Die kohärente Kopplung von einzelnen Spins mit Photonen könnte ein interes­santer Ansatz zur Verar­beitung von Quanten­daten sein, da Photonen sehr gute Träger für Quanten­information sind“, sagt Takis Kontos vom Labora­toire Pierre Aigrain an der Pariser Universität. Zusammen mit seinen Kollegen fertigte er aus Kohlen­stoff-Nano­röhrchen einen doppelten Quantenpunkt. In diesen wurde der Spin von Elektronen über das magne­tische Feld eines winzigen Ferro­magneten aus einer Palla­dium­nickel-Legierung kontrol­liert.

Über eine Gleichspannung ließ sich ein Elektron von einem Quanten­punkt zum benach­barten bewegen. Dabei rotierte die Ausrich­tung des Spins. Um nun eine Kopplung mit Photonen zu reali­sieren, positio­nierten Kontos und Kollegen einen Mikrowellen-Resonator aus supra­leitendem Niob einige Dutzend Mikro­meter neben dem doppelten Quanten­punkt. Für die Kopplungs­versuche wurde das gesamte Ensemble auf vierzig Milli­kelvin abgekühlt. Physikalisch erfolgte die Kopplung über die Wechselwirkung der Ladungs­orbitale im Quanten­punkt zum elektri­schen Feld des Resonators.

Über ein variables, externes Magnetfeld (-100 bis +100 mT) konnte die Über­gangs­frequenz des Spinzustands des Elektrons auf die Frequenz des Reso­na­tors abge­stimmt werden. Unter Resonanzbedingungen spiegelte sich der Spinzustand des Elektrons direkt in messbarer Phase und Amplitude der Reso­nator-Trans­mission wieder. So war eine Bestimmung des Elektronsspins möglich, ohne diesen selbst zu beeinflussen.

Dieses Experiment ist vor allem für die Entwicklung von Quanten­computern auf der Basis von Spin­zuständen in Festkörpern interessant. Gegenüber Qubits aus einge­fangenen Ionen wird den Fest­körper-Qubits eine höhere Chance zur Skalierung auf größere Systeme zuge­sprochen. Die von Kontos und Kollegen demons­trierte Kopplung von Elek­tronen­spins mit Photonen bzw. elektro­magne­tischen Feldern in einem Resonator erweitert die Möglich­keiten zum Auslesen und zur Kontrolle von Elek­tronenspins.

Jan Oliver Löfken

OD

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