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Quantencomputer : Winzige Sterne als Raststätten für Elektronen

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Ganz besondere Quantenpunkte: Rastertunnelaufnahme einer Struktur aus drei Atomketten. Bild: Paul Drude Zentrum, Berlin

Maßarbeit in der Quantenwelt: Perfekte Atomketten zu robusten Speicherelementen zusammengefügt. Die Gebilde könnten dem Quantenrechner auf die Sprünge helfen.

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          Je weiter die Miniaturisierung der optischen- und elektronischen Bauelemente fortschreitet, desto stärker machen sich Quanteneffekte bemerkbar. Das kann unerwünschte Störungen hervorrufen, aber auch von großem Nutzen sein wie bei sogenannten Quantenpunkten, die man in der Opto- und Nanoelektronik verwendet. Diese halbleitenden Strukturen, die nur wenige Nanometer messen und aus einigen tausend Atomen bestehen, besitzen Eigenschaften, die man üblicherweise bei isolierten Atomen antrifft. Wegen der geringen Größe besitzen die Elektronen darin nur eine eingeschränkte Bewegungsfreiheit. Dadurch sind die Energieniveaus wesentlich schärfer ausgeprägt als im Festkörper.

          Doch während alle Atome einer Sorte einander exakt gleichen, weisen Quantenpunkte untereinander auch bei sorgfältigster Fertigung Variationen auf, die bei ihrer Verwendung in Schaltungen zu Funktionsstörungen führen können. Eine internationale Forschergruppe hat nun eine große Zahl perfekter Quantenpunkte hergestellt, deren Eigenschaften absolut identisch sind. Diese Bauelemente eröffnen neue Möglichkeiten für die Verarbeitung von Quanteninformationen etwa in einem künftigen Quantencomputer..

          Bisher hat man bei der Herstellung von Quantenpunkten weder die Zahl der Atome noch deren räumliche Anordnung kontrollieren können. Diese Schwierigkeiten haben die Forscher um Stefan Fölsch vom Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik in Berlin jetzt überwunden, wie sie in der Zeitschrift „Nature Nanotechnology“) berichten. Sie erzeugten Quantenpunkte, indem sie ein Atom nach dem anderen gezielt an bestimmten Positionen ablegten, die durch eine Schablone exakt vorgegeben waren.

          Knüpfarbeiten in der Quantenwelt

          Als Schablone diente den Forschern die Oberfläche eines Indiumarsenid-Kristalls. Die oberste Lage aus Indiumatomen besaß bienenwabenförmig angeordnete Mulden, in denen jeweils ein Indiumatom fehlte. Mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops schoben Fölsch und seine Kollegen einzelne positiv geladene Indiumatome der Kristalloberfläche an diese Fehlstellen. In jeder Mulde fand genau ein Atom Platz. Dieses haftete darin nur locker.

          Auf diese Weise stellten die Forscher lineare Ketten aus jeweils 25 Indiumatomen her. Die geladenen Atome zogen Leitungselektronen der Kristalloberfläche an, die sich entlang der Atome bewegten und nur bestimmte „quantisierte“ Energiewerte annehmen konnten. Die Ketten waren zu länglichen Quantenpunkten geworden. Zwei Quantenpunkte glichen nicht nur äußerlich wie ein Ei dem anderen, sie wiesen auch identische elektrische Eigenschaften auf. Diesen Vorteil haben die Forscher dazu genutzt, aus den Atomketten größere Strukturen und komplizierte Schaltungen mit neuen Eigenschaften zu bauen.

          Der heikle Überlagerungsstand

          Als einfaches Beispiel stellten Fölsch und seine Kollegen eine Nanostruktur her, die aus drei gleichen, sternförmig angeordneten Atomketten bestand. Die Quantenzustände der Elektronen in einem solchen Tripel-Quantenpunkt unterscheiden sich deutlich von denen eines einzelnen linearen Quantenpunkts. Anders als bei einer einfachen Atomkette kann ein Elektron hier zwei verschiedene Quantenzustände gleichzeitig annehmen, selbst wenn es die kleinstmögliche Energie besitzt. Dabei befindet es sich in einem quantenmechanischen Überlagerungszustand - ähnlich wie die Katze in dem berühmten Gedankenexperiment von Erwin Schrödinger, die gleichzeitig lebendig und tot sein kann.

          Das eröffnet die Möglichkeit, in den beiden Elektronenzuständen Quanteninformationen in Form von Quantenbits zu speichern. Solche Qubits können außer den binären Werten „0“ und „1“ noch alle möglichen Zwischenzustände davon annehmen. Die Forscher haben herausgefunden, dass die beiden Elektronenzustände äußerst robust gegenüber störenden Einflüssen von außen wie Ladungsschwankungen sind, wenn man ein zusätzliches Atom in die Nähe des Tripel-Quantenpunktes bringt.

          Dadurch stehen mit den sternförmigen Anordnungen stabile Speicherbausteine für Quanteninformationen zur Verfügung, wie man sie etwa für künftige Quantenrechner benötigt. „Mit diesen genau definierten Quantenzuständen sind wir dem Quantencomputer einen weiteren Schritt näher gekommen“, meint Stefan Fölsch.

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