Verbesserte Stabilität von Elektronenspins in Qubits

  • 09. September 2015

Austauschprozess in doppelten Quantenpunkten verlangsamt.

Das Rechnen mit Elektronenspins im Quantencomputer setzt voraus, dass die Spinzustände ausreichend lange andauern. Ein Forscherteam der Uni Basel und des Swiss Nanoscience Institute konnte nun zeigen, dass ein Austausch von Elektronen in Quantenpunkten die Stabilität der Information grundlegend beschränkt. Die Kontrolle dieses Austauschprozesses ebnet daher den Weg, um bei der Kohärenz der fragilen Quantenzustände weitere Fortschritte zu erzielen.

Doppelter Quantenpunkt

Abb.: Doppelter Quantenpunkt: 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: U. Basel)

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 Quantenpunkten festgehalten werden. Durch Ausnutzung quanten­mecha­nischer Prinzipien wie der Überlagerung kann ein Quantencomputer enorme Rechengeschwindigkeiten erreichen – aber nur, wenn die Spinzustände ausreichend lange andauern.

In den vergangenen Jahren ließ sich die 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. Die Wissen­schaft­ler 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 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 Wissenschaftler nun erstmals mit einem Ladungssensor nachweisen konnten. Der Austauschprozess führt auch dazu, dass die Elektronenspins regellos angeordnet werden, wodurch die Quanteninformation verlorengeht.

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 sechzig Millikelvin herunterkühlten. Zugleich ließ sich der Prozess verlangsamen und die Stabilität der Spins ausdehnen, indem sie die Spannungen an den Zugängen des Quanten­punktes, den Gates, veränderten. Das Verständnis und die Kontrolle dieses für Quantenpunkte grundlegenden Austauschprozesses ebnen 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.

UB / RK

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