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Wissenschaft
Montag, 26. Juni 2017 30° 3

Physik

Wenn Elektronen Karussell fahren

Regensburger Forscher haben eine neue Methode entwickelt, um Quanteninformationen einfacher speichern und auslesen zu können.
Von Louisa Knobloch, MZ

An eine Halbleiterprobe wird ein starkes Magnetfeld angelegt, so dass Elektronen eine kreisförmige Bewegung vollführen. Durch einen kurzen Lichtblitz schaukelt sich die Welle zu einer Taumelbewegung auf, so dass die hochangeregten Elektronen ungeahnt stark mit dem Kristallgitter wechselwirken. Illustration: Dr. Christoph Lange

Regensburg.Ein Quantencomputer ist der Traum vieler Wissenschaftler: Ein solcher Rechner wäre nicht nur wesentlich schneller als herkömmliche Computer, er würde es auch ermöglichen, neue Klassen von mathematischen oder naturwissenschaftlichen Problemen zu lösen. So ließe sich damit wahrscheinlich ein effizientes Verfahren zur Primfaktorzerlegung finden, wodurch etwa kryptographische Verfahren viel schneller durchgeführt werden könnten.

Während heutige Computer auf den Gesetzen der klassischen Physik beruhen, würde ein Quantencomputer die Effekte der Quantenmechanik ausnutzen – etwa die Wellennatur von Elektronen. Bislang existiert ein solcher Quantenrechner nur in der Theorie, aber weltweit arbeiten Wissenschaftler an Möglichkeiten, das Konzept in die Praxis umzusetzen. Forschern der Universität Regensburg ist nun ein weiterer Schritt auf dem Weg zu diesem Ziel gelungen. Sie haben eine Methode entwickelt, um Quanteninformationen künftig einfacher speichern und lesen zu können.

Wie das Bit bei klassischen Computern gibt es auch beim Quantencomputer eine kleinstmögliche Speichereinheit: das Quantenbit oder Qubit. Ein Quantensystem als Qubit zu verwenden ist in der Praxis jedoch schwierig, da Quantenzustände sich aufgrund ihrer starken Wechselwirkungen schnell ändern. Zudem sind sie sehr wärmeempfindlich: Quanteneffekte lassen sich daher nur bei sehr niedrigen Temperaturen beobachten, wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt (minus 273 Grad Celsius).

Kohns Theorem gilt nicht immer

Mit der Methode der Regensburger Forscher lassen sich Materialien mit vergleichsweise einfachen Strukturen für Qubits nutzen – und zwar potenziell sogar bei Raumtemperatur. Das Team um Dr. Christoph Lange und Prof. Dr. Rupert Huber vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Uni Regensburg hatte zunächst an eine nanometerdünne Probe des Halbleiters Galliumarsenid ein starkes Magnetfeld angelegt. Dadurch vollführen die Elektronen in dem Material eine kreisförmige Bewegung um die Magnetfeldachse – fast wie in einem Karussell. Bei dieser sogenannten Zyklotronbewegung sind nur bestimmte Kreisradien erlaubt, die man als Landau-Zustände bezeichnet.

Die Forscher um Prof. Dr. Rupert Huber, Doktorand Thomas Maag und Dr. Christoph Lange (v.l.) vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik hatten in einem nanometerdünnen Halbleitersystem eine neue Klasse von Wechselwirkungen nachgewiesen. Foto: Knobloch

Das 1961 von dem Physiker Walter Kohn entwickelte Kohn-Theorem besagt nun vereinfacht, dass die Bewegung eines dieser Landau-Elektronen charakteristisch für alle Teilchen in der Zyklotronbewegung ist, und von keinerlei Wechselwirkungen unter den Elektronen gestört wird. Da es keine Wechselwirkungen gibt, handelt es sich bei der Kreisbahnbewegung quantenmechanisch um einen Überlagerungszustand beliebig vieler Kreisbahnen mit unterschiedlichen Radien. Diese lassen sich prinzipiell nicht einzeln durch ein externes Feld manipulieren. Weil für Qubits aber gerade ein Quantensystem mit mindestens zwei, aber möglichst wenigen Zuständen erforderlich ist, nahm man an, dass sich die Landau-Elektronen grundsätzlich nicht dafür eignen.

Das Kohn-Theorem wurde allerdings für den Bereich niedriger Feldstärken formuliert und bislang ausschließlich in diesem Bereich getestet, sagt Dr. Christoph Lange. „Erst seit kurzem ist es möglich, im Terahertz-Bereich Felder zu erzeugen, die ausreichend hoch sind, um ein solches Vielteilchen-System stark anzuregen.“

Die Wissenschaftler schossen also einen ultrakurzen starken Lichtblitz im Terahertz-Spektralbereich auf ihre Probe. Dadurch angeregt schaukelten sich die Elektronen zu einer Taumelbewegung auf und es kam zu Wechselwirkungen zwischen den Teilchen. „Diese nichtlineare Abweichung von der idealen Kreisbahn lässt sich nutzen, um Informationen zu speichern oder auszulesen“, erklärt Lange.

Neue Versuche mit Graphen laufen

Wenn kein starker Terahertz-Impuls anliegt, gilt wieder das Kohn-Theorem – die gespeicherte Quanteninformation bleibt im Zyklotronzustand vergleichsweise lange erhalten. Mit dieser Kombination von effizientem Quantenschalter und robustem Quantenspeicher legen die Forscher die Grundlage für neuartige Quantenbits auf Basis von Landau-Elektronen. Die experimentellen Ergebnisse des Regensburger Forscherteams wurden von Wissenschaftlern der Universität Marburg um Prof. Dr. Mackillo Kira und Prof. Dr. Stephan W. Koch mithilfe einer numerischen Simulation theoretisch bestätigt. Veröffentlicht wurde die Entdeckung aktuell in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ (DOI: 10.1038/nphys3559).

In Regensburg laufen unterdessen bereits die nächsten Experimente: Die Wissenschaftler wollen herausfinden, ob ihre Methode auch bei anderen Materialien wie Graphen funktioniert – dann ließen sich Qubits künftig auch bei Zimmertemperatur herstellen. Interessant sind die Ergebnisse Lange zufolge auch für die Quantenelektrodynamik. „Dabei geht es um ultrastark gekoppelte Systeme, die noch stärkere Nichtlinearitäten aufweisen.“ Möglicherweise könnte hier schon eine geringere Stärke des Terahertz-Feldes ausreichen, um über das Kohn-Theorem hinauszugehen.

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