Neue Methode zur Kontrolle des Elektronenspins ebnet den Weg für effiziente Quantencomputer

30. Januar 2023 (Nanowerk-Neuigkeiten) Die Quantenwissenschaft hat das Potenzial, die moderne Technologie mit effizienteren Computern, Kommunikations- und Sensorgeräten zu revolutionieren. Es bleiben jedoch Herausforderungen beim Erreichen dieser technologischen Ziele, einschließlich der präzisen Manipulation von Informationen in Quantensystemen. In einer Veröffentlichung in Naturphysik („Kohärente Spin-Valley-Oszillationen in Silizium“) skizziert eine Gruppe von Forschern der University of Rochester, darunter John Nichol, ein außerordentlicher Professor für Physik, eine neue Methode zur Steuerung des Elektronenspins in Silizium-Quantenpunkten – winzigen Halbleitern im Nanomaßstab mit bemerkenswerten Eigenschaften – als Möglichkeit, Informationen darin zu manipulieren ein Quantensystem. „Die Ergebnisse der Studie liefern einen vielversprechenden neuen Mechanismus zur kohärenten Steuerung von Qubits auf der Grundlage des Elektronenspins in Halbleiter-Quantenpunkten, der den Weg für die Entwicklung eines praktischen Quantencomputers auf Siliziumbasis ebnen könnte“, sagt Nichol. Forscher der University of Rochester haben eine neue Methode zur Manipulation von Informationen in Quantensystemen entwickelt, indem sie den Spin von Elektronen in Silizium-Quantenpunkten steuern. Elektronen in Silizium erfahren ein Phänomen namens Spin-Valley-Kopplung zwischen ihrem Spin (Pfeile nach oben und unten) und Valley-Zuständen (blaue und rote Orbitale). Wenn Forscher eine Spannung (blaues Leuchten) an Elektronen in Silizium anlegen, nutzen sie den Spin-Valley-Kopplungseffekt und können die Spin- und Valley-Zustände manipulieren, indem sie den Elektronenspin steuern. (Bild: Michael Osadciw)

Verwendung von Quantenpunkten als Qubits

Ein normaler Computer besteht aus Milliarden von Transistoren die Bits verarbeiten (die kleinste Dateneinheit, die ein Computer verarbeiten und speichern kann). Quantencomputer hingegen basieren auf Quantenbits, auch Qubits genannt. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Transistoren, die entweder „0“ (aus) oder „1“ (ein) sein können, unterliegen Qubits den Gesetzen der Quantenmechanik und können gleichzeitig „0“ und „1“ sein. Wissenschaftler haben lange über die Verwendung von Silizium nachgedacht Quantenpunkte als Qubits; Die Steuerung des Spins von Elektronen in Quantenpunkten würde eine Möglichkeit bieten, die Übertragung von Quanteninformationen zu manipulieren. Jedes Elektron in einem Quantenpunkt hat einen intrinsischen Magnetismus, wie ein winziger Stabmagnet. Wissenschaftler nennen dies „Elektronenspin“ – das magnetische Moment, das jedem Elektron zugeordnet ist – weil jedes Elektron ein negativ geladenes Teilchen ist, das sich so verhält, als würde es sich schnell drehen, und es ist diese effektive Bewegung, die den Magnetismus hervorruft. Der Elektronenspin ist ein vielversprechender Kandidat für die Übertragung, Speicherung und Verarbeitung von Informationen im Quantencomputing, da er lange Kohärenzzeiten und hohe Gattergenauigkeiten bietet und mit fortschrittlichen Halbleiterherstellungstechniken kompatibel ist. Die Kohärenzzeit eines Qubits ist die Zeit, bevor die Quanteninformation aufgrund von Wechselwirkungen mit einer verrauschten Umgebung verloren geht; lange Kohärenz bedeutet eine längere Zeit zum Durchführen von Berechnungen. Hohe Gattertreue bedeutet, dass die Quantenoperation, die die Forscher durchzuführen versuchen, genau so ausgeführt wird, wie sie es wollen. Eine große Herausforderung bei der Verwendung von Silizium-Quantenpunkten als Qubits ist jedoch die Kontrolle des Elektronenspins.

Steuerung des Elektronenspins

Die Standardmethode zur Steuerung des Elektronenspins ist die Elektronenspinresonanz (ESR), bei der oszillierende hochfrequente Magnetfelder an die Qubits angelegt werden. Dieses Verfahren hat jedoch mehrere Einschränkungen, einschließlich der Notwendigkeit, die oszillierenden Magnetfelder in kryogenen Umgebungen zu erzeugen und präzise zu steuern, wo die meisten Elektronenspin-Qubits betrieben werden. Um oszillierende Magnetfelder zu erzeugen, schicken Forscher normalerweise einen Strom durch einen Draht, der Wärme erzeugt, die kryogene Umgebungen stören kann. Nichol und seine Kollegen skizzieren eine neue Methode zur Steuerung des Elektronenspins in Silizium-Quantenpunkten, die nicht auf oszillierenden elektromagnetischen Feldern beruht. Die Methode basiert auf einem Phänomen namens „Spin-Valley-Kopplung“, das auftritt, wenn Elektronen in Silizium-Quantenpunkten zwischen verschiedenen Spin- und Valley-Zuständen wechseln. Während sich der Spinzustand eines Elektrons auf seine magnetischen Eigenschaften bezieht, bezieht sich der Talzustand auf eine andere Eigenschaft, die mit dem räumlichen Profil des Elektrons zusammenhängt. Die Forscher legen einen Spannungsimpuls an, um den Spin-Tal-Kopplungseffekt zu nutzen und die Spin- und Talzustände zu manipulieren, wodurch der Elektronenspin gesteuert wird. „Diese Methode der kohärenten Steuerung durch Spin-Valley-Kopplung ermöglicht eine universelle Steuerung von Qubits und kann ohne oszillierende Magnetfelder durchgeführt werden, was eine Einschränkung des ESR darstellt“, sagt Nichol. „Dies ermöglicht uns einen neuen Weg, um Silizium-Quantenpunkte zur Manipulation von Informationen in Quantencomputern zu verwenden.“

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• Quelle: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62272.php