Loch-Spin-Bahn-Qubit in Ge-Quantenfilmstrukturen

Elektronische Geräte werden immer kleiner und kleiner, da es der Halbleiterindustrie gelungen ist, das Grundelement (Transistor) um 6 Größenordnungen von etwa 1 cm im Jahr 1950 auf nur wenig mehr als 10 nm heutzutage zu schrumpfen. Es ist jedoch offensichtlich, dass dieser Miniaturisierung Grenzen gesetzt sind. Es müssen daher alternative Konzepte gefunden werden. Ein möglicher Zugang ist die Verwendung von Quantenmechanik. Anstatt die Ladung eines Elektrons in den Transistoren zu verwenden, wird hier vorgeschlagen, den Elektronenspin, eine quantenmechanische Eigenschaft, zu verwenden. Unter Verwendung des Spinfreiheitsgrads begannen Forscher sich von klassischen Bits zu Quantenbits, d.h. Qubit, zu bewegen. Noch zu Beginn des Jahres 2000 wurde angenommen, dass Silizium (Si) und Germanium (Ge) keine signifikante Rolle auf dem Gebiet der Spinqubits spielen würden. Zu viele Probleme bestanden bei der Realisierung von Quantenvorrichtungen und zu gering war die Qualität des vorhandenen Materials. Diese Einschätzung hat sich jedoch in den letztenJahren grundlegendend verändert, so dass Si und Ge zuden vielversprechendsten Materialien für die Schaffung einer neuen Generation von Geräten gehören, die nach den Prinzipien der Quantenmechanik arbeiten werden. In diesem Projekt beschäftigen wir uns mit Ge-Quanten-Geräte. Im Gegensatz zur Mehrzahl bisheriger Arbeiten zielen wir darauf Loch-Spin-Qubits zu untersuchen. Löcher sind physikalisch nichts anderes als nicht vorhandene Elektronen. Aber wie eine Luftblase in einem Glas Mineralwasser andere Eigenschaften hat als ein Wassermolekül (die Luftblase bewegt sich nach oben, das Wassermolekül nach unten), so gilt auch das Gleiche für Löcher. Bestimmte Eigenschaften von Löchern deuten darauf hin, dass Loch-Spin-Qubits tatsächlich sehr vielversprechend sein könnten. In diesem Projekt werden wir verschiedene Versionen von Loch-Qubits produzieren undwir untersuchenwielange Quanteninformationen in diesen Qubits gespeichert werden können. Parallel dazu werden wir versuchen, unser Wissen über die grundlegenden Eigenschaften von Löchern zu erweitern.

Die Erfindung des Transistors im Jahr 1947 führte zu einer technologischen Revolution, da es in den 60er Jahren zum Baustein der ersten zuverlässigen Computer wurde. Seitdem hat sich die Transistorgröße kontinuierlich verringert, wodurch die Rechenleistung gesteigert wurde. Heutzutage sind Transistoren so klein geworden, dass die Quantenphysik ihren Betrieb zu einer Herausforderung macht. Forscher in der Grundlagenforschung untersuchen daher neue Konzepte, die eine Informationsverarbeitung nach ganz anderen Prinzipien ermöglichen würden. In dieser Linie wurden Spins als elementare Quantenbits (Qubits) vorgeschlagen, um einen Quantencomputer zu realisieren. In diesem Projekt haben wir in Germanium eingeschlossene Lochspins untersucht, dem Material, aus dem der erste Transistor realisiert wurde. Solche Lochspins haben sehr vielversprechende Qubit-Eigenschaften. Wir begannen mit Ge/SiGe-Heterostrukturen, einer Ge-Schicht, die zwischen zwei SiGe-Schichten eingebettet ist. In einem nächsten Schritt haben wir mittels Nanofabrikation metallische Elektroden auf solchen Heterostrukturen erzeugt. Damit können wir elektrische Felder anlegen und damit die Löcher in sogenannten Quantenpunkten räumlich lokalisieren. Wir haben zwei solche Quantenpunkte erzeugt, also einen doppelten Quantenpunkt. Dieser doppelte Quantenpunkt ermöglicht es, ein zweistufiges System zu hosten, das wir als Qubit verwendet haben. Das Qubit wird betrieben, indem innerhalb einer Nanosekunde zwei Spins zwischen den beiden Quantenpunkten lokalisiert und getrennt werden. Unsere Experimente demonstrierten ein Singulett-Triplett-Qubit, das bereits bei Feldern unter 1 mT betrieben werden kann. Solche Felder zerstören nicht die Supraleitung, also den Zustand der Materie ohne Widerstand, und ebnen daher den Weg, Spin-Qubits mit supraleitenden Schaltkreisen zu kombinieren.