Steuerung per Elektronenspin für Quantencomputer
Seit dem Einzug der Computertechnik in unsere Welt fordern unsere immer weiter wachsenden Ansprüche an die Informationstechnologien (IT) die Entwicklung schnellerer Computer mit größeren Verarbeitungskapazitäten. Hinter dem Begriff Quanten-Computing, der auf Quanten basierenden Informationsverarbeitung, steckt eine wahre Revolution der Rechentechnik, die Physik, Mathematik und Informatik auf eine nie dagewesene Weise miteinander verbindet. Man nutzt Quantenalgorithmen, um klassische Berechnungen exponentiell zu beschleunigen, und das Ganze beruht auf den Eigenschaften eines Elektronenspins in einem atomaren Teilchen - dem Quantenpunkt. Halbleiterquantenpunkte gehören zu den vielversprechendsten Einzelphotonenemittern überhaupt, da in ihnen photonische Eigenschaften mit dem Spin eines magnetischen Ions vereint sind. Dieser magnetische Spin kann selektiv manipuliert und zur Informationsspeicherung genutzt werden. Obgleich schon viele Verfahren zum Manipulieren und Lesen der Elektronenspins in Quantenpunkten vorgeschlagen wurden, bleibt der gesamte Prozess noch immer eine Herausforderung. "Single spin manipulation towards quantum computation" - das EU-finanzierte SESAM-Projekt - zielte mit der Entwicklung neuer experimenteller Werkzeuge, um Elektronenspins aus magnetischen Ionen abzulesen, auf die Lösung dieses Problems ab. Zuerst hatten Projektmitglieder den Aufbau eines Quantenpunkt mit einem im Inneren befindlichen einzelnen Manganion (Mn) demonstriert. Im vorliegenden Projekt war es möglich, die Ausrichtung des Mn-Elektronenspins durch eine Steuerung der Exzitationsprozesses mittels Rekombination dunkler Exzitonen zu kippen. Dies ermöglicht eine Steuerung der Spindynamik, die von grundlegender Bedeutung für die praktische Umsetzung der Quanteninformationsverarbeitung ist. Außerdem bauten die Wissenschaftler eine geeignete experimentelle Versuchsanordnung auf und optimierten die grundlegenden Eigenschaften des Systems, um Messungen unter Einsatz von Photolumineszenztechnik in starken Magnetfeldern durchzuführen. Diese Versuchsanordnung wurde weiter modifiziert, um die Probe gleichzeitig Mikrowellenstrahlung als ein Mittel zum Manipulieren der Mn-Elektronenspins auszusetzen. Die Wissenschaftler entdeckten jedoch, dass die Mikrowellenstrahlung keinen Einfluss auf die einzelnen Mn-Ionenspins ausübte. Das SESAM-Projekt konnte somit untersuchten, wie der Elektronenspin eines einzelnen magnetischen Ions am wirkungsvollsten manipuliert werden kann. Die Erkenntnisse aus dem Projekt liefern maßgebliches Wissen für die Quanten-Computing-Technologie, das für die zukünftige Entwicklung eines Geräts zur Quanteninformationsverarbeitung dringend erforderlich ist.
