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Schnelles Bauelement für Quantencomputer

Elektronenspins in Halbleitern mit Licht manipuliert / Extrem kurze Laserpulse

Von Rainer Scharf

Noch weiß niemand, ob die in den Quantencomputer gesetzten Hoffnungen jemals in Erfüllung gehen werden. Statt mit einzelnen Bits soll er mit sogenannten Quantenbits rechnen, die in Form von besonderen Quantenzuständen zum Beispiel in Atomen oder Atomkernen gespeichert sind. Auf diese Weise könnte es möglich werden, in kurzer Zeit eine unvorstellbar große Zahl von Berechnungen auszuführen, für die ein herkömmlicher Computer viele Millionen Jahre benötigte. Erste rudimentäre Quantencomputer, die aus einzelnen Atomen in Magnetfallen oder aus Molekülen in Lösungsmitteln bestehen, sind schon erprobt worden. Einen leistungsfähigen Quantenrechner mit Hunderten von Quantenbits wird man indes wohl nur mit Hilfe der Halbleitertechnik verwirklichen können. In den bisher verwendeten Halbleiterbauelementen zerfallen die für eine Berechnung benötigten Quantenzustände jedoch so schnell, daß mit ihnen selbst einfachste Berechnungen nicht auszuführen sind. Jetzt haben Wissenschaftler aus den Vereinigten Staaten einen Weg gefunden, diese Schwierigkeit zu beheben.

Während sich zahlreiche Forscher bemühen, die zu verarbeitenden Quantenzustände langlebiger zu machen, ist es David Awschalom und seinen Mitarbeitern von den Universitäten von Santa Barbara und von Pennsylvania gelungen, die Quantenzustände wesentlich schneller zu manipulieren, als es bisher möglich war ("Science", Bd. 292, S. 2458). Dazu strahlten sie in rascher Folge mehrere ultrakurze Laserpulse auf eigens hergestellte Bauelemente aus dem Halbleitermaterial Zinkkadmiumselenid ein. Jeder Puls dauerte nur hundert Femtosekunden (Billiardstelsekunden). Der erste Puls setzte zahlreiche Elektronen in dem Halbleitermaterial frei. Die Spins (Eigendrehimpulse) der Teilchen waren in oder entgegen der Richtung eines äußeren Magnetfelds orientiert.

Den Gesetzen der Quantenmechanik zufolge lassen sich die Spins in einen Zustand bringen, in dem sie in beide Richtungen zugleich zeigen. Einen solchen mehrdeutigen Quantenzustand, in dem jedes Elektron potentieller Träger eines Quantenbits ist, haben die amerikanischen Forscher mit einem zweiten Lichtpuls erreicht, der die Elektronenspins kurz "antippte". Der Laserblitz erzeugte für kurze Zeit ein weiteres Magnetfeld, das die Elektronen aus ihrer ursprünglichen Richtung lenkte. Dadurch wurden sie schließlich in den gewünschten mehrdeutigen Quantenzustand befördert. Dieser war allerdings äußerst zerbrechlich. Nach nur etwa einer Nanosekunde (Milliardstelsekunde) wurde er durch Atom- und Elektronenbewegungen im Halbleitermaterial zerstört. Die Spins kehrten daraufhin in unkontrollierter Weise in den ursprünglichen Zustand zurück.

Die in ihrem Quantenzustand gespeicherte Information ging dabei verloren. Verglichen mit der Dauer der Lichtpulse von hundert Femtosekunden, benötigt der Zerfall der Quantenzustände mit einer Nanosekunde fast eine Ewigkeit. Bevor die mehrdeutigen Quantenzustände der Spins unwiederbringlich zerfallen, lassen sich die Zustände mit zahlreichen ultrakurzen Laserpulsen bearbeiten, und das Ergebnis kann mit einem abschließenden Lichtpuls ermittelt werden. Das haben die Forscher um David Awschalom dadurch gezeigt, daß sie die Elektronenspins ein weiteres Mal mit einem Laserpuls "antippten", der die Spins auf kontrollierte Weise in ihren Ausgangszustand zurückbrachte. Dabei blieb die in den Quantenzuständen gespeicherte Information - anders als beim Zerfall der Zustände - weitgehend erhalten.

Noch haben die Wissenschaftler mit ihrem Verfahren, Elektronenspins zu manipulieren, keine "Berechnungen" ausgeführt. Zudem waren alle Elektronenspins in ein und demselben Quantenzustand. Bei einem Quantencomputer, der mehrere Quantenbits verarbeiten kann, müssen die Spins hingegen in unterschiedlichen Zuständen vorliegen und sich gegenseitig auf kontrollierte Weise beeinflussen können. Die Forscher hoffen, daß sich mit sogenannten Quantenpunkten, auf denen nur eine geringe Zahl von Elektronen sitzen kann, Quantenbits - wenn auch nur für einige Nanosekunden - speichern lassen. Zur Berechnung mit einigen tausend ultrakurzen Laserpulsen wäre das lange genug. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 18.07.2001, Nr. 164 / Seite N3

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