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Elektronen im Informations-Karussell

Neue Ansätze auf dem Weg zu Quantencomputern Elektronen im Informations-Karussell

Physiker der Uni Marburg um die Professoren Stephan Koch und Mackillo Kira haben gemeinsam mit ­Kollegen von der Uni Regensburg einen neuen Ansatz für die Quanteninformationsverarbeitung gefunden.

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Kreisförmige Bewegungen der Elektronen in einem Magnetfeld an einer nanometerdünnen Halbleiterprobe werden in dieser ­Info-Grafik anhand der runden Form der quantenmechanischen Wellenfunktion verdeutlicht.

Quelle: Dr. Christoph Lange

Marburg. In einem Magnetfeld verhalten sich Elektronen eines Halbleiters anders als erwartet, wenn man ihre Bewegungen mit einem starken Lichtfeld im Terahertz-Spektralbereich antreibt. Das haben Physiker der Universitäten Regensburg und Marburg beobachtet. Sie widerlegten damit theoretische Überlegungen, die seit 50 Jahren Bestand hatten, teilte die Pressestelle der Marburger Universität mit.

Die Forscher veröffentlichten ihre Entdeckung jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Physics“. Die Ergebnisse könnten nach Angaben der Uni-Pressestelle neue Ansätze für die künftige Entwicklung eines Quantencomputers liefern.

Die Informationsverarbeitung in Computern beruht auf der gezielten Steuerung elektrischer Ströme auf mittlerweile extrem kurzen Zeitskalen von Bruchteilen von Nanosekunden. Die Schaltvorgänge innerhalb eines Chips werden dabei jedoch nur durch den Transport von Elektronen erreicht, ohne besonderen Nutzen aus deren quantenmechanischer Wellennatur zu ziehen.

Könnte diese Eigenschaft gezielt ausgenutzt werden, würde ein großer Traum vieler Naturwissenschaftler in greifbare Nähe rücken: der Quantencomputer. Mit ihm könnten naturwissenschaftliche Fragestellungen, die aus heutiger Sicht noch unlösbar scheinen, in kürzester Zeit beantwortet werden, hoffen die Forscher.

Elektronen kreisen 
um Magnetfeldachse

Ein Team um Professor Stephan Koch und Professor Mackillo Kira von der Arbeitsgruppe Theoretische Halbleiterphysik der Philipps-Universität sowie Dr. Christoph Lange und Professor Dr. Rupert Huber vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg hat nun in einem nanometerdünnen Halbleitersystem eine neue Klasse von Wechselwirkungen nachgewiesen.

Dazu legten die Forscher ein starkes Magnetfeld an die Halbleiterprobe an, in der dann ­alle Elektronen ähnlich wie in einem Karussell eine Kreisbewegung um die Magnetfeldachse vollführen. Mittels starker elektromagnetischer Impulse im Terahertz-Spektralbereich gelang es den Forschern, dieses Quantenkarussell auf kürzester Zeitskala so stark aufzuschaukeln, dass die Elektronen mit dem Kristallgitter eine Wechselwirkung eingehen und dabei eine starke Taumelbewegung vollführen.

Zu ihrem experimentellen Ergebnis fügten die Physiker aus Marburg eine Theorie hinzu, die auch Voraussagen für zukünftige Materialsysteme ermöglichen könnte. Die Forscher prüfen derzeit, wie sich die ideale Kombination von effizientem Quantenschalter und robustem Quantenspeicher auf andere Materialsysteme übertragen lässt, ­wodurch sich das Konzept auch bei Raumtemperatur ausnutzen ließe.

Förderung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft

Zudem laufen bereits Experimente zur Quantenoptik, in denen künstlich geschaffene Quasiteilchen – die jeweils zur Hälfte aus Licht und Materie bestehen – eine wichtige Rolle spielen. Aus Sicht der Forscher könnte sich nun ein breites und neuartiges Forschungsfeld für die Quanteninformationsverarbeitung öffnen.

Professor Mackillo Kira lehrt Theoretische Halbleiterphysik an der Philipps-Universität. Die aktuelle Veröffentlichung wurde unter anderem von der Alexander-von-Humboldt-Stiftung sowie von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über den Sonderforschungsbereich (SFB) 1083 an der Philipps-Universität finanziell gefördert.

Der SFB vereint mehr als 60 Forscher aus Chemie und Physik, die Grenzflächen an einer­ Vielzahl anorganischer und ­organischer Festkörper untersuchen. Anhand der Modell­systeme wollen sie zu einem ­detaillierten Verständnis der chemischen Bindung, der elektronischen Kopplung und der Energieübertragung gelangen.

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