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07.07.2014 | Mikroelektronik | Schwerpunkt | Online-Artikel

Mit Quantenpunkten schneller rechnen

verfasst von: Andreas Burkert

2:30 Min. Lesedauer

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Identische Quantenpunkte aus einzelnen Atomen können die Computertechnik revolutionieren. Davon ist ein internationales Forscherteam überzeugt. Ihnen gelang jetzt die perfekte Reproduzierbarkeit dieser mikroskopisch kleinen Objekte.

Physiker, die auf atomarer Ebene experimentieren, haben vermutlich Großes geschaffen. Indem ihnen die perfekte Reproduzierbarkeit identischer Quantenpunkte gelang, hält ein internationales Forscherteam unter Leitung des Paul-Drude-Instituts für Festkörperelektronik (PDI) einen wichtigen Meilenstein für neue Technologien wie den sogenannten Quantencomputer und die Nano-Optik erreicht. Quantenpunkte werden oft als „künstliche Atome“ bezeichnet, da sie – genauso wie reale Atome – Elektronen in quantisierte Zustände mit diskreten Energien zwingen.

Diese Analogie trifft allerdings nur bedingt zu: Während reale Atome identisch sind, bestehen herkömmliche Quantenpunkte aus Hunderten bis zu Tausenden von Atomen, was zu unvermeidlichen Schwankungen in ihrer Größe und Form und damit ihren physikalischen Eigenschaften führt. Dazu erklärt PDI-Physiker Stefan Fölsch, Leiter des Teams: „Für Anwendungen wie den Quantencomputer ist es erforderlich, die Größe von Quantenpunkten – und damit deren Quantenzustand – genau kontrollieren zu können.“

Präzise positionierte Quantenpunkte

Um einen atomar präzisen Quantenpunkt herzustellen, muss jedes seiner Atome exakt und fehlerfrei positioniert sein. Die Forscher setzten dafür die Quantenpunkte Atom für Atom mit Hilfe einer „atomaren Pinzette“ auf einer Unterlage zusammen. Bei der Unterlage handelt es sich um die Oberfläche eines Indium-Arsenid-Halbleiterkristalls. „Der Kristall besitzt in der obersten Schicht ein regelmäßiges Muster von Indium-Leerstellen – dadurch sind die möglichen Positionen der zu platzierenden Atome vorgegeben. Gleichzeitig liegen auf der obersten Schicht zusätzliche, positiv geladene, Indiumatome in ungeordneter Form vor.“, erklärt Kiyoshi Kanisawa, Physiker an den NTT Basic Research Laboratories in Japan, die besondere Struktur.

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Um nun einzelne Atome zu manipulieren haben die Wissenschaftler ein Rastertunnelmikroskop verwendet. Wie mit einer Pinzette haben sie jeweils ein Indiumatom auf die Spitze gepickt und an einer anderen Stelle positioniert. Die Wissenschaftler setzten Quantenpunkte in Form von linearen Ketten aus sechs bis 25 Indiumatomen zusammen. Die positiv geladenen Indiumatome bilden einen Quantenpunkt aus, indem sie Elektronen binden und quantisieren, die normalerweise der Oberfläche des Indium-Arsenid-Kristalls zuzuordnen sind. Dass die Elektronen quantisiert werden hängt damit zusammen, dass sie durch die positiv geladene Kette von Indiumatomen räumlich eingesperrt sind.

Anwendungen in der Quanteninformatik

Die räumliche Verteilung der Elektronen spiegelt deren quantenmechanische Wellenfunktion wider, „gleichsam einer schwingenden Saite entlang der Atomkette“, so Fölsch. Da die möglichen Positionen der Indiumatome durch das regelmäßige Gitter der Leerstellen vorgegeben sind, ist jeder Quantenpunkt aus einer festen Anzahl linear angeordneter Atome praktisch identisch, ohne jegliche Schwankung in seiner Größe oder Form.

Für Anwendungen in der Quanteninformatik müssen mehrere solcher Quantenpunkte miteinander gekoppelt werden. Die PDI-Forscher haben dafür dreifache Quantenpunkte aus je drei Ketten angeordnet. Diese koppeln in definierter Weise miteinander und es zeigt sich ein Verhalten, wie es auch in realen Molekülen vorliegt. „Mit diesen genau definierten Quantenzuständen kommen wir dem Quantencomputer einen weiteren Schritt näher“, betont Stefan Fölsch.

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