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News: Pärchen in Doppelhaft

Strukturen, in denen die Beweglichkeit von Ladungsträgern in allen drei Raumrichtungen eingeschränkt sind, könnten einmal einer neuen Generation von Computern zum Durchbruch verhelfen. Zunächst ließ sich damit zumindest ein logisches Schaltelement verwirklichen.
Qubits
Kommt er, oder kommt er nicht? Der Quantencomputer scheint eine Art Standard-Antwort auf die Frage nach den potenziellen Anwendungsmöglichkeiten bestimmter festkörperphysikalische Phänomene, optischer Effekte und Experimente mit ultrakalten Gasen zu sein. Ob das ominöse Gerät jedoch jemals die brummende Kiste unter unserem Schreibtisch ersetzten wird, steht in den Sternen. Sicherlich wird das nur dann geschehen, wenn sich die Wundergeräte mit moderatem Aufwand realisieren lassen – sprich, wenn sich bei der Herstellung gut erprobte Techniken einsetzen lassen.

Halbleiter scheinen deshalb besonders vielversprechend, schließlich fußt nahezu unsere gesamte Elektronik und sämtliche Computertechnik auf diesen Materialien. So hätten die Halbleiter-Quantenpunkte von Xiaoqin Li und seinen Forscherkollegen von der University of Michigan prinzipiell gut Chancen, setzen sie sich doch aus mehreren Lagen eines Halbleitermaterials zusammen. So wie es aber aussieht, lässt sich das Konzept der Forscher nicht in größerem Maßstab mit vielen Quantenbits umsetzen, dennoch meinen die Wissenschaftler, dass die Ideen und Techniken durchaus auch höher gehängten Zielen dienlich sein könnten. Doch der Reihe nach. Was macht eigentlich einen Quantencomputer aus?

Es sind Bits und logische Gatter wie bei einem richtigen Rechner – jedoch mit dem gewissen Quanten-Zusatz: So ist das Quantenbit, oder kurz, Qubit die elementare Einheit der Quanteninformation und Pendant zum klassischen, digitalen Bit. Während letzteres in der Praxis durch zwei verschiedene Zustände verwirklicht ist, beispielsweise zwei unterschiedliche Spannungspegel in der Elektronik oder zwei verschiedene Magnetisierungen auf einer Diskette, besteht das Qubit aus zwei quantenmechanischen Zuständen. Das können etwa die Energieniveaus in einem Atom sein, aber auch die Polarisierung eines Photons sowie die beiden Einstellungen für den Spin eines Elektrons oder Neutrons.

Das Besondere an diesen Qubits ist, dass sie ganz den Regeln der Quantenmechanik folgend auch eine Überlagerung der beiden Zustände erlauben: ein bisschen 1 und ein bisschen 0 sozusagen. Zwar ist das zunächst recht verwirrend, zumal eine solche Recheneinheit scheinbar kaum dazu angetan ist, je eine brauchbare Information zu liefern, doch Wissenschaftler konnten schon vor Jahren beweisen, dass sich mit diesen Qubits so manche Aufgabe in Windeseile lösen lässt, die sonst Computern gehörig zu schaffen macht. Soweit zu den Qubits. Doch wie kommen nun Quantenpunkte ins Spiel? Und worum handelt es sich dabei überhaupt?

Nun, Ladungsträger wie Elektronen sind in Metallen frei beweglich, und in Halbleitern sind sie das häufig auch. Es gibt aber auch Halbleiterstrukturen, die aus mehreren Materialien gemischt bestehen. In solchen Halbleiterheterostrukturen kann sich ein Ladungsträger nicht beliebig bewegen, er stößt vielmehr irgendwann an die Grenze des Materials, in dem er sich gerade befindet, und wenn er nicht genug Energie besitzt, dann kann er diese nicht überwinden. Sind die Ausbreitungsmöglichkeiten der Ladungsträger in allen drei Raumrichtungen derart beschränkt, so spricht man von einem Quantenpunkt.

Li und seine Mitarbeiter untersuchten nun Galliumarsenid-Quantenpunkte in einer Aluminium-Gallium-Arsenid-Matrix. Hier sitzen die Elektronen gefangen wie in einem Käfig, lassen sich jedoch auf ein höheres Energieniveau anregen. Dabei bleibt pro Elektron im unteren so genannten Valenzband eine Lücke beziehungsweise ein Loch zurück. Allein aufgrund der Anziehungskraft des negativ geladenen Elektrons und des positiven Lochs können die beiden Partner eine schwache Bindung miteinander eingehen. Physiker sprechen in diesem Fall von einem Exziton. Genau zwei Exzitonen, also zwei Elektron-Loch-Paare, ließen sich offenbar in den Quantenpunkten von Li und Co unterbringen, sodass ein Zwei-Qubit-System entstand.

Wie die Forscher zeigen konnten, ließen sich die Elektronen mit Laserlicht vom Grundzustand in einen von zwei möglichen Ein-Exzitonen-Zustand versetzen, aber auch in einen doppelten Exzitonen-Zustand, bei dem beide Elektronen angeregt waren. Auch ließ sich zwischen den beiden Anregungen periodisch hin- und herschalten, einfach durch Bescheinen mit Laserlicht. Mehr noch: Der Quantenpunkt verhielt sich dabei wie ein einfaches NICHT-Gatter. So bestimmte der Wert des ersten Qubits den des zweiten. Entsprach das erste Qubit einer 1 so wurde aus dem zweiten eine 0 und umgekehrt – wieder ein Puzzlestück zum Quantencomputer also.

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