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Quantencomputer: Es ist angerichtet!

Das Rezept für einen Quantencomputer enthält eigentlich nur fünf Zutaten. Doch die haben es in sich! Nun wollen einige Wissenschaftler die bislang fehlende letzte entwickelt haben: Sie können die Drehrichtung einzelner Elektronen in einem Halbleiter gezielt verändern.
Mit einiger Wahrscheinlichkeit wird der erste wirklich funktionierende Quantencomputer aus einem Stück Halbleiter bestehen und mit Elektronen als Informationsträgern arbeiten. Nicht nur, dass sich die Informatiker und Benutzer dann nicht auf eine vollkommen neue Technik umstellen müssten, sondern auch, weil die Fortschritte auf diesem Gebiet beachtlich sind.

Um einen Quantencomputer zu bauen, der nicht mehr ausschließlich mit diskreten Bits und Bytes, sondern ebenso mit Zwischenstufen davon arbeitet und daher viel schneller, müssen nach übereinstimmender Ansicht von Experten fünf Anforderungen erfüllt sein: Er sollte zunächst ein skalierbares System aus gut unterscheidbaren Qubits – den Recheneinheiten der Quantenkalkulatoren – sein, er sollte darüber hinaus auf einen definierten Anfangszustand gesetzt werden können, die Quantenbits sollten zudem langlebig sein, sie sollten sich ferner einzeln auslesen und sich schließlich so verknüpfen lassen, dass ein beliebiger Algorithmus umgesetzt werden kann.

Nach Ansicht einer niederländischen Arbeitsgruppe um Frank Koppens vom Kavli Institut für Nanowissenschaften der Technischen Universität Delft fehlte bislang nur noch ein einziger Schritt, um all dies möglich zu machen: Die gezielte Änderung des Eigendrehimpulses von einzelnen Elektronen, die in einem so genannten Quantenpunkt gefangen sind. Damit bezeichnen die Wissenschaftler mikroskopisch kleine, elektrische Käfige, in denen sie die negativ geladenen Ladungsträger gefangen halten.

Dieses nun letzte auf Lösung harrende Problem haben die niederländischen Experimentatoren jetzt nach eigenen Angaben gelöst. Sie ersannen eine Halbleiterstruktur, in der sie zwei verschieden tiefe Quantenpunkte miteinander verkoppelten. Wie in einem Atom können die Elektronen in diesen Potentialtöpfen – das ist ein anderer Ausdruck für einen Quantenpunkt – nur ganz bestimmte Energiewerte annehmen. Sie hängen von der jeweiligen Geometrie und Tiefe des Potentialtopfes ab. An ihre ungleichen Elektronengefängnisse legten die Wissenschaftler eine Spannung, so dass eine Elementarladung aus dem umgebenden Material zunächst in den flacheren Quantenpunkt eindringen kann. Den zweiten Potentialtopf machten die Niederländer so tief, dass sich ein darin befindliches Elektron trotz der von außen angelegten Spannung nicht wieder daraus befreien kann.

Gekoppelte Quantenpunkte | Eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer Nanostrukture, mit der das Team um Frank Koppens ihre Experimente machte. Die beiden Quantenpunkte sind als Kreise angedeutet.
Mit Hilfe eines Lasers haben die Wissenschaftler die Elektronen sodann ausgerichtet. Dazu muss man wissen, dass diese Elementarteilchen sich so verhalten, als würden sie sich um ihre eigene Achse drehen und dadurch ein eigenes kleines Magnetfeld erzeugen. Diese physikalische Eigenschaft nennen die Naturwissenschaftler Spin. Sie ist allerdings nur quantenmechanisch zu verstehen. Denn bisher ist es noch niemandem gelungen, die Ausdehnung eines Elektrons zu bestimmen, weswegen die Physiker eigentlich davon ausgehen, dass es punktförmig ist. Dennoch besitzt es ein magnetisches Moment und lässt sich daher von der elektromagnetischen Strahlung eines Lasers oder von einem starken Magneten beeinflussen.

Im Gegensatz zu einem klassischen Stabmagneten kennen die Elektronen in einem homogenen Magnetfeld aber zwei verschiedenen Positionen: parallel oder antiparallel zur äußeren Störung. Atomphysiker bezeichnen diese beiden Zustände als Spin-up oder Spin-down.

In einem Quantenpunkt besitzen die negativen Ladungsträger, deren magnetische Momente nach oben zeigen nun etwas geringere Energiewerte als die der Elektronen, deren Spins nach unten weisen. Durch Einstrahlen einer geeigneten elektromagnetischen Welle können die Teilchen aber ihre Drehrichtungen umkehren und gleichzeitig höhere Energieniveaus erklimmen. Ähnliche Effekte nutzen beispielsweise Mediziner in Kernspintomographen.

Auch die niederländischen Wissenschaftler machten sich dieses Prinzip zu Nutze. Über ihre Probe legten sie ein statisches Magnetfeld, das den gefangenen Ladungsträgern zunächst unterschiedliche Energiewerte zuwies – wodurch sich die Spins der Elektronen entsprechend ausrichteten. Ein Elektron aus dem flacheren Potentialtopf könnte nun der angelegten Spannung folgen und prinzipiell über ein Energieniveau des tieferen Quantenpunkts hüpfen, um so einen Stromfluss zu verursachen. Doch setzt die Quantenphysik dem Grenzen. Nach deren Gesetzen dürfen zwei Elektronen niemals den gleichen Zustand einnehmen. Diese Erkenntnis geht auf Wolfgang Pauli zurück, einem Pionier der Quantenmechanik. Befindet sich in dem tieferen Quantenpunkt ein Elektron mit einem Spin, der beispielsweise nach oben zeigt, kann kein Strom fließen, wenn der Partner in dem flacheren Potentialtopf die gleiche Ausrichtung hat. Die Physiker nennen dies eine Spin-Blockade.

Erst das Einstrahlen einer geeigneten elektromagnetischen Welle im Radiofrequenzbereich erlaubt es dem Elektron aus dem flacheren Potentialtopf, seinen Spin umzuklappen, dadurch auf ein höheres Energieniveau zu springen, um von dort aus dann mit einem Sprung über ein nun quantenmechanisch erlaubtes Energieniveau des tieferen Quantenpunktes, die Barriere zu überwinden und einen Strom fließen zu lassen. Mit dieser Methode lassen sich daher Spinzustände einzelner Elektronen in Quantenpunkten gezielt beeinflussen und durch Messen eines Stromes anschließend bestimmen.

Zwar sind noch einige Hürden zu nehmen, um daraus einen funktionierenden Quantencomputer zu konstruieren. Beispielsweise verringern die magnetischen Momente der Atome des umgebenden Materials die Genauigkeit, mit der sich die Spins der Elektronen schlussendlich einstellen lassen. Hier müssen noch geeignete Techniken entwickelt werden, um deren Einfluss zu reduzieren. Doch wenn dies gelingt, glauben die Wissenschaftler nun alle Bestandteile für einen Quantencomputer zusammen zu haben. Nach ihrer Ansicht kann daher schon bald mit dem Bau eines einfachen Prototyps begonnen werden.

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