Quantenbits aus Löchern

Quantencomputer nähern sie sich in vielen Labors auf der ganzen Welt langsam nützlichen Realisierungen. Doch es gilt noch enorme Heraus­forderungen zu meistern. Dazu zählt die Konstruktion von stabilen Quantenbits, die sich miteinander vernetzen lassen. Unter der Leitung von Daniel Jirovec vom Institute of Science and Technology (IST) Austria haben nun Wissenschafter mit Loch-Spin-Qubits ein neues und vielver­sprechendes System für zuverlässige Basiselemente eines Quanten­computers gefunden. Dafür haben sie eng mit dem L-NESS Inter-university Centre in Como in Italien zusammengearbeitet.

Die Forscher konstruierten das Qubit mit Hilfe des Spins von Löchern - also die Abwesenheit eines Elektrons in einem Festkörper. Erstaunlicher­weise kann ein fehlendes negativ geladenes Teilchen physikalisch so behandelt werden, als ob es ein positiv geladenes Teilchen wäre. Es kann sich sogar im Festkörper bewegen, wenn ein benachbartes Elektron das Loch auffüllt. Dadurch bewegt sich das als positiv geladenes Teilchen beschriebene Loch vorwärts. Diese Löcher tragen die quanten­mechanische Eigenschaft des Spins und können miteinander wechselwirken, wenn sie sich nahekommen. „Unsere Kollegen von L-NESS haben verschiedene Mischungen aus Silizium und Germanium nur wenige Nanometer dick übereinander aufgetragen. Das erlaubt uns, die Löcher in die germanium­reiche Schicht in der Mitte einzu­sperren“, erklärt Jirovec. „Auf der obersten Schicht haben wir winzige elektrische Drähte angebracht, um die Bewegung der Löcher zu steuern, indem wir Spannung an sie anlegen. Die elektrisch positiv geladenen Löcher reagieren auf die Spannung und können extrem präzise innerhalb ihrer Schicht bewegt werden.“

Mit dieser Steuerung auf einer Skala von Nanometern haben die Wissenschafter zwei Löcher nahe zueinander gebracht, um aus ihren wechsel­wirkenden Spins ein Qubit zu erzeugen. Doch damit dies funktioniert, mussten sie das ganz Experiment einem Magnetfeld aussetzen. Hier kommt ihr inno­vativer Ansatz ins Spiel. Mit ihrem Aufbau können Jirovec und seine Kollegen nicht nur Löcher verschieben, sondern auch deren Eigenschaften verändern. Dadurch konnten sie das Qubit aus den beiden wechselwirkenden Spins der Löcher kreieren, indem sie weniger als zehn Millitesla an Magnet­feldstärke verwendeten. „Durch die Verwendung unserer Germanium­schichten können wir die benötigte Magnetfeldstärke reduzieren. Das erlaubt die Kombination unseres Qubits mit Supra­leitern, die normalerweise durch starke Magnetfelder gehemmt werden“, erklärt Jirovec. Supraleiter ermög­lichen aufgrund ihrer quanten­mechanischen Natur die Verknüpfung mehrerer Qubits. Dies könnte es Forschern ermöglichen, neuartige Quanten­computer zu bauen, die Halbleiter und Supraleiter kombinieren.

Diese Loch-Spin-Qubits sind nicht nur wegen diesen neuen technischen Möglich­keiten, sondern auch wegen ihrer Verarbeitungs­geschwindigkeit vielver­sprechend. Mit bis zu einhundert Millionen Operationen pro Sekunde sowie ihrer langen Lebensdauer von bis zu 150 Mikrosekunden scheinen sie für Quanten­computing besonders gut geeignet zu sein. Normaler­weise müssen Forscher einen Kompromiss zwischen diesen Eigenschaften eingehen, aber dieses neue Design bringt beide Vorteile zusammen.

IST Austria / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D. Jirovec et al.: A singlet-triplet hole spin qubit in planar Ge, Nat. Mat., online 3. Juni 2021; DOI: 10.1038/s41563-021-01022-2
• Nanoelektronik (G. Katsaros), Institute of Science and Technology IST Austria, Klosterneuburg, Österreich