Quantencomputer aus gängigen Halbleitermaterialien

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Bisher unbekannte Verlustmechanismen

Allerdings gibt es ein Problem: „Wir haben herausgefunden, dass die Verspannungen im Halbleitermaterial zu einem neuen bis vor kurzem noch unbekannten Verlustmechanismus führen“, sagt Alexander Bechtold. Die Verspannungen erzeugen nämlich winzige elektrische Felder im Halbleiter, die sich auf den Spin der Atomkerne auswirken.

„Das ist eine Art piezoelektrischer Effekt“, sagt Bechtold. „Es kommt dabei zu unkontrollierten Fluktuationen der Kernspins.“ Diese können wiederum den Spin des Elektrons, also die gespeicherte Information, verändern. Innerhalb von hundert Nanosekunden würde sie verloren gehen.

Darüber hinaus konnte das Team um Alexander Bechtold noch weitere Verlustmechanismen nachweisen, etwa dass generell jeder Elektronenspin von den Spins der ihn umgebenden etwa 100.000 Atomkerne beeinflusst wird.

Rettung vor dem quantenmechanischen Vergessen

„Beide Verlustkanäle lassen sich jedoch abschalten, wenn wir ein etwa 1,5 Tesla starkes Magnetfeld anlegen“, sagt Bechtold. „Das entspricht der Magnetfeldstärke eines starken Permanentmagneten. Damit stabilisieren wir die Kernspins, und die Informationen bleiben gespeichert.“

„Das System ist insgesamt äußerst vielversprechend“, so Jonathan Finley, Leiter der Forschungsgruppe. „Die Halbleiter-Quanten-Dots haben den Vorteil, ideal mit bestehender Computertechnologie zu harmonieren, da sie aus ähnlichen Halbleiter-Materialien bestehen.“ Sie ließen sich sogar mit elektrischen Kontakten versehen und so nicht nur optisch mit dem Laser, sondern zusätzlich mit Hilfe etwa von Spannungspulsen ansteuern.

Die Arbeiten wurden gefördert mit Mitteln der Europäischen Gemeinschaft (S3 Nano und BaCaTeC), des US Department of Energy, des US Army Research Office (ARO), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM) und SFB 631), der Alexander von Humboldt Stiftung und des TUM Institute for Advanced Study (Focus Group Nanophotonics and Quantum Optics).

Publikation:

Three-stage decoherence dynamics of an electron spin qubit in an optically active quantum dot;

Alexander Bechtold, Dominik Rauch, Fuxiang Li, Tobias Simmet, Per-Lennart Ardelt, Armin Regler, Kai Müller, Nikolai A. Sinitsyn and Jonathan J. Finley; Nature Physics, 11, 1005-1008 (2015) – DOI: 10.1038/nphys3470

http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3470.html

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