Forscher erzeugen Quantenbits in Halbleitern

In der Datenverarbeitung könnten in Zukunft mehr Elemente als die 0 und 1 Einzug halten. Denn mit Quantenbits lassen sich weitaus mehr als zwei Zustände definieren. Um diese in einem Halbleiter zu schaffen, setzten die Forscher einen Effekt in die Tat um, den der Physiker Andreas Wieck bereits vor 22 Jahren theoretisch vorhergesagt hatte.

Ein Quantenbit entspricht einem einzigen Elektron in einem bestimmten Zustand. Wieck nutzte die Flugbahnen eines Elektrons durch zwei dicht beieinander liegende Kanäle für die Codierung. Prinzipiell sind zwei verschiedene Zustände möglich: Das Elektron bewegt sich entweder im oberen Kanal oder im unteren Kanal - das wäre dann aber wieder nur ein binäres System.

Laut Quantentheorie kann sich ein Teilchen jedoch gleichzeitig in mehreren Zuständen befinden, also quasi zur selben Zeit durch beide Kanäle fliegen. Diese überlagerten Zustände können ein umfangreiches Alphabet der Datenverarbeitung bilden.

Um Quantenbits mit unterschiedlichen Zuständen zu erzeugen, ließen die Forscher nun einzelne Elektronen mit sich selbst interferieren. Angetrieben von einer äußeren Spannung fliegen die Elektronen durch einen halbleitenden Festkörper. Innerhalb dieses Festkörpers wird ihre Flugbahn erst gegabelt und schließlich wieder zusammengeführt. Dabei fliegt jedes Elektron gleichzeitig auf beiden möglichen Wegen. Vereinen sich die beiden Wege wieder, kommt es zur Interferenz, das heißt die beiden Elektronenwellen überlagern sich und es entstehen Quantenbits mit verschiedenen überlagerten Zuständen.

Normalerweise bewegt sich eine Elektronenwelle gleichzeitig auf vielen verschiedenen Pfaden durch einen Festkörper. Durch Verunreinigungen im Material verliert sie ihre Phaseninformation und somit ihre Fähigkeit, einen bestimmten Zustand zu codieren. Um die Phaseninformation zu erhalten, züchteten die Forscher einen hochreinen Galliumarsenid-Kristall und nutzten den von Wieck vor über 20 Jahren vorgeschlagenen Doppelkanal.

Ein Elektron erreicht die Weggabelung über zwei dicht beieinander liegende Kanäle. Diese sind miteinander gekoppelt, so dass das Elektron gleichzeitig auf zwei verschiedenen Pfaden fliegt. Die Phasen der Elektronenwellen bleiben durch die Kopplung erhalten. Den gleichen Doppelkanal verwendete das Team auch, nachdem die Elektronenwellen sich am Ende der Weggabelung wieder vereinten. So erzeugten sie Quantenbits mit eindeutigen Zuständen, die sich eignen, um Information zu codieren.