Spin Qubits für Quantencomputer

Forschern der Princeton University und University of California (UCSB) ist es erstmals gelungen den Spin eines einzelnen Elektrons zu manipulieren, ohne dabei die Elektronen in seiner direkten Umgebung zu beeinflussen. Dies wird als wichtiger Schritt in der Entwicklung neuer Quantencomputer mit Elektronen als Spin Qubits gesehen.

In bisherigen Experimenten wurden die Elektronen in einer Probe Mikrowellenstrahlung ausgesetzt. Da sich dies jedoch stets auf alle Elektronen gleichermaßen auswirkt und die Methode recht langsam ist, können mit ihr einzelne Elektronen nicht als Spin Qubits für einen sogenannten Loss–DiVincenzo-Quantencomputer verwendet werden. Die nun von Petta verwendete Methode funktioniert hingegen mit einzelnen Elektronen und innerhalb einer Nanosekunde. Dazu werden ein bis zwei Elektronen in Quantenpunkte gesperrt, sie fungieren als Spin Qubits – dem Analogon eines Bits in der Welt der Quanteninformatik –, deren Quantensuperposition für komplexe mathematische Berechnungen genutzt werden kann. Die Quantenpunkte befinden sich auf einem Chip aus hochreinem Galliumarsenid, der auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt wird. Durch das Variieren der Spannung an den Gate-Elektroden können die Elektronen zwischen den Quantenpunkten verschoben werden.

Die in der Science-Ausgabe vom 5. Februar unter dem Titel A Coherent Beam Splitter for Electronic Spin States veröffentlichten Ergebnisse sind noch im Bereich der Grundlagenforschung. Im aktuellen Stadium der Forschung können nur ein bis zwei Qubits manipuliert werden. Ein Quantencomputer müsste jedoch zumindest über mehrere Hundert Qubits verfügen, was noch einige Jahre dauern dürfte.