Christian Thalmann

Einem Team unter ETH-Professor Ataç İmamoğlu (1) ist es gelungen, den Spinzustand eines Elektrons in einem Quantenpunkt mit sehr kleiner Fehleranfälligkeit festzulegen. Diese sollen dereinst die Bausteine eines Quantencomputers bilden. Die Resultate sind in der aktuellen Ausgabe von Science publiziert.

Künstliche Atome

Die "Bits" eines Quantencomputers sollen nicht nur 0 oder 1, sondern auch komplexe Überlagerungen dieser Zustände annehmen können. Ein viel versprechender Kandidat für ein solches Bauteil ist der Quantenpunkt: Ein gerade einmal 20 Nanometer grosses Klümpchen aus einem Halbleitermaterial, das ein einzelnes freies Elektron beherbergt. Der Halbleiter bildet auf Grund der extremen räumlichen Begrenzung scharf begrenzte Energieniveaus aus, auf denen sich das Elektron aufhalten kann, ähnlich wie in einem Atom. Man beschreibt Quantendots deshalb auch als "künstliche Atome". Der Spin (Drehimpuls) des Elektrons zeigt das gewünschte Verhalten eines Quantenbits.

Dank der Energieniveaus ist es möglich, das Elektron durch Einstrahlung von Laserlicht bei einer geeigneten Wellenlänge und Polarisation in einen gewünschten Spinzustand zu "pumpen". Im Allgemeinen zerfällt dieser Zustand jedoch viel schneller, als er hergestellt werden kann, da das Elektron mit den vielen Atomkernen im Halbleiter wechselwirkt und sich zuweilen über den Tunneleffekt gegen ein anderes Elektron von ausserhalb austauscht. Die Forschung der Gruppe İmamoğlu hat nun gezeigt, dass diese beiden störenden Einflüsse bei gewissen Magnetfeldstärken und Spannungen entscheidend verringert werden können. Unter diesen Umständen lässt sich der Elektronenspin mit 99,8% Zuverlässigkeit kontrollieren.

Beteiligung verschiedener Departemente

Ausschlaggebend für das Gelingen dieser Arbeit waren laut İmamoğlu die interdisziplinären Kollaborationen der ETH. Das FIRST Lab (2) auf dem Hönggerberg, das in Sachen Nanotechnologie zur Weltspitze gehört, wurde mit der Herstellung der winzigen Strukturen beauftragt. Auch an Hirnvolumen mangelte es nicht: Die Innovations-Initiative QSIT (Quantum Systems for Information Technology) (3) lieferte den nötigen intellektuellen Beistand.