Starke Kopplung durch Spin-Trio

Quantencomputer rechnen mit Quanten-Bits oder ?Qubits?, also Quantenzust?nden beispielsweise von Atomen oder Elektronen, die gleichzeitig die logischen Werte ?0? und ?1? annehmen k?nnen. Um viele solcher Qubits zu einem leistungsstarken Quantenrechner zusammenzuschliessen, muss man sie ¨¹ber Entfernungen von Millimetern oder gar mehreren Metern miteinander koppeln. Dies kann zum Beispiel, ganz ?hnlich wie bei einer Radioantenne, ¨¹ber die Ladungsverschiebung durch eine elektromagnetische Welle erreicht werden. Allerdings setzt eine solche Kopplung das Qubit auch st?renden Einfl¨¹ssen von unerw¨¹nschten elektrischen Feldern aus, worunter die Qualit?t der logischen Qubit-Operationen stark leidet.

Forschende mehrerer Professuren der ETH Z¨¹rich haben nun mit Unterst¨¹tzung durch theoretische Physiker der Universit?t von Sherbrooke in Kanada gezeigt, wie man dieses Problem umgehen kann. Dazu fanden sie einen Weg, um ein Mikrowellen-Photon an ein Spin-Qubit in einem Quantenpunkt zu koppeln.

Qubits mit Ladung oder Spin

In Quantenpunkten f?ngt man zun?chst Elektronen in nur wenige Nanometer grossen Halbleiterstrukturen ein, die auf weniger als ein Grad ¨¹ber dem absoluten Nullpunkt abgek¨¹hlt werden. Die logischen Werte 0 und 1 k?nnen nun auf zweierlei Weise realisiert werden. Entweder man definiert ein Qubit dadurch, dass sich das Elektron auf der linken oder rechten Seite eines doppelten Quantenpunktes befindet, oder ¨¹ber den Spin des Elektrons, der nach oben oder unten zeigen kann.

Im ersten Fall spricht man von einem Ladungs-Qubit, das durch die elektrische Ladungsverschiebung stark an elektromagnetische Wellen koppelt. Ein Spin-Qubit dagegen kann man sich als winzige Kompassnadel vorstellen, die nach oben oder unten zeigt. Wie eine Kompassnadel ist der Spin magnetisch und koppelt daher nicht an elektrische, sondern an magnetische Felder. Die Kopplung des Spin-Qubits an den magnetischen Anteil von elektromagnetischen Wellen ist dabei viel schw?cher als diejenige eines Ladungs-Qubits an den elektrischen Anteil.

Drei Spins f¨¹r st?rkere Kopplung

Dadurch ist ein Spin-Qubit zwar einerseits weniger st?ranf?llig und beh?lt seine Koh?renz (auf der die Funktionsweise des Quantencomputers basiert) ¨¹ber einen l?ngeren Zeitraum. Andererseits ist es aber auch deutlich schwieriger, Spin-Qubits mittels Photonen ¨¹ber lange Distanzen aneinander zu koppeln. Um dies trotzdem m?glich zu machen, benutzt die Arbeitsgruppe einen Trick, wie Jonne Koski, Postdoktorand in der Gruppe von ETH-Professor Klaus Ensslin, erkl?rt: ?Indem wir f¨¹r die Realisierung des Qubits nicht einen, sondern gleich drei Spins verwenden, k?nnen wir die Vorteile eines Spin-Qubits mit denen eines Ladungs-Qubits verbinden.?

In der Praxis werden daf¨¹r auf einem Halbleiterchip drei Quantenpunkte hergestellt, die nahe beieinander liegen und mittels winziger Dr?hte durch angelegte Spannungen kontrolliert werden k?nnen. In jedem der Quantenpunkte k?nnen Elektronen mit nach oben oder unten ausgerichtetem Spin gefangen werden. Durch einen der Dr?hte ist das Spin-Trio zudem mit einem Mikrowellenresonator verbunden. Die Spannungen an den Quantenpunkten stellt man nun so ein, dass sich auf jedem der Quantenpunkte jeweils ein Elektron befindet und die Spins von zwei der Elektronen in die gleiche, der dritte dagegen in die entgegengesetzte Richtung zeigt.

Ladungsverschiebung durch Tunneln

Nach den Regeln der Quantenmechanik k?nnen die Elektronen zudem mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit zwischen den Quantenpunkten hin und her tunneln. Dadurch kann es vorkommen, dass sich von den drei Elektronen zeitweise zwei in demselben Quantenpunkt befinden, wogegen einer leer bleibt. In dieser Konstellation ist die elektrische Ladung nun ungleich verteilt. Durch diese Ladungsverschiebung wiederum entsteht ein elektrischer Dipol, der stark an das elektrische Feld eines Mikrowellenphotons koppeln kann.

Diese starke Kopplung konnten die ETH-Wissenschaftler durch eine Messung der Resonanzfrequenz des Mikrowellenresonators eindeutig nachweisen. Dabei beobachteten sie, wie sich die Resonanz des Resonators durch die Kopplung an das Spin-Trio aufspaltete. Aus den Daten konnten sie herleiten, dass die Koh?renz des Spin-Qubits ¨¹ber mehr als 10 Nanosekunden erhalten blieb.

Spin-Trios f¨¹r Quanten-Bus

Die Forscher sind zuversichtlich, dass mit dieser Technik schon bald ein ?bertragungsweg f¨¹r Quanteninformation zwischen zwei Spin-Qubits (ein sogenannter Quanten-Bus) realisiert werden kann. ?Daf¨¹r m¨¹ssen wir zwei Spin-Trios an beiden Enden des Mikrowellenresonators platzieren und zeigen, dass die Qubits dann ¨¹ber ein Mikrowellenphoton miteinander gekoppelt sind?, sagt der Erstautor der Studie Andreas Landig, Doktorand in Ensslins Gruppe. Damit w?re ein wichtiger Schritt in Richtung eines Netzwerks von r?umlich verteilten Spin-Qubits getan. Zudem betonen die Forscher, dass sich ihre Methode problemlos auf andere Materialien wie zum Beispiel Graphen ¨¹bertragen l?sst und damit sehr vielseitig ist.

Diese Arbeit wurde im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunkts Quantum Science and Technology (NCCR QSIT) durchgef¨¹hrt. Von der ETH Z¨¹rich waren daran Wissenschaftler der Professuren von Klaus Ensslin, Thomas Ihn, Werner Wegscheider und Andreas Wallraff beteiligt.