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Marburg Marburger ebnen Weg zum Quantencomputer
Marburg Marburger ebnen Weg zum Quantencomputer
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09:11 21.05.2018
Künstlerische Gestaltung des Themas: Gezeigt wird die Energielandschaft (blaue Fläche) einer Lage Wolframdiselenids (Gitter im Hintergrund). Die Kugeln stellen Elektronen dar, die von einem ins andere Energietal beschleunigt werden (rot-gelbe Einfärbung) Quelle: Grafik: Stefan Schlauderer/Uni Regensburg
Marburg

Eine vor zehn Jahren veröffentlichte theoretische Übung des Marburger Physikers Stephan W. Koch könnte jetzt durch die Umsetzung in die experimentelle Praxis einen wichtigen Baustein auf dem Weg zur Entwicklung eines Quantencomputers darstellen. Eigentlich erschienen dem Marburger Physiker die in den theoretischen quantenmechanischen Berechnungen aufgestellten Parameter als zu extrem. „Es ist faszinierend, wie sich die Möglichkeiten der Umsetzung verbessert haben“, erläutert Koch im Gespräch mit der OP.

Dass Koch seine 2008 vorgelegten Ergebnisse wieder aus der Schublade holte, geht auf die Initiative des Regensburger Experimentalphysikers Professor Huber zurück. Dieser zeigte sich überzeugt davon, dass er die darauf aufbauenden ­Messungen in seinem Labor machen könne.
Nach monatelangen gemeinsamen Forschungsarbeiten der 
Teams beider Physiker sowie des ehemaligen Marburger Forschers Professor Mackillo Kira (Universität Ann Arbor/Michigan) ist jetzt eine Publikation in der weltweit renommierten Zeitschrift „Nature“ der Endpunkt. Darin zeigen die Forscher, dass eine schwindelerregende Berg- und Talfahrt von Elektronen dazu führen könnte, dass Rechenleistungen eine Million mal schneller als bisher ausgeführt werden könnten.

Professor Stephan W. Koch (64, Foto: Jänsch/Uni Marburg) stammt aus Südhessen. Er studierte von 1971 bis 1977 Physik an der Uni Frankfurt und war bis 1984 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Theoretische Physik der Universität Frankfurt.
Nach Zwischenstationen in den USA und Deutschland übernahm er 1993 den Lehrstuhl für Theoretische Festkörperphysik an der Philipps-Universität. 1997 erhielt er den Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft.
Er erforscht die theoretischen Grundlagen der Wechselwirkung von Licht mit Materie in Halbleitermaterialien, insbesondere in Laserstrukturen.

Professor Koch ging bei seinen Überlegungen von einem von ihm grundlegend erforschten Phänomen der Halbleiterphysik aus, der Erzeugung von „Hohen Harmonischen“. Dabei werden ultrakurze, sehr intensive infrarote Laserimpulse in Licht kürzerer Wellenlängen umgewandelt, woraufhin sich auch die Farbe des Lichts verändert. Abgewandelt davon gibt es ein Phänomen, bei dem ein Laserstrahl auf dasselbe Material trifft und dann in vielen Seitenbändern wieder heraustritt. „Das gibt faszinierende optische Effekte bei hohen Lichtfeldern“, erklärt Koch.

Die dabei auftretenden Effekte bieten den Physikern aber auch erstaunliche Mengen an Informationen über Halbleitermaterialien. Die von Professor Koch entwickelte Halbleiter-Bloch-Gleichung bot Koch entscheidende Mithilfe. Experimentiert wurde nun an der Universität Regensburg mit einem Material aus einer speziellen neuen Klasse von Halbleitermaterialien, welche in einer hauchdünnen Schicht hergestellt wurde. In diesem Fall handelte es sich um Wolframdiselenid, das nur aus jeweils einer Lage von Atomen der Elemente Wolfram und Selen bestand.

Das Verhalten der Elektronen dieses Halbleitermaterials interessierte die Forscher vor allem. „Ohne Lichtblitze befinden sich die Elektronen in ihrem Grundzustand“, beschreibt Professor Koch. Bei den Experimenten wird dann aber die Eigenschaft von allen Halbleitermaterialien ausgenutzt, durch Licht Elektronen anzuregen.

Dr. Ulrich Huttner (30, Privatfoto) stammt aus Augsburg. Er studierte von 2007 bis 2016 Physik an der Universität Marburg.

2016 gewann er den Promotionspreis der Uni Marburg für seine Doktorarbeit zu starken Terahertz-Anregungen in Halbleitern.

Das funktionierte im Fall des Wolframdiselenids besonders schnell, zuverlässig, störungsunanfällig und skalierbar, erklärt Koch. Dabei ging es um das möglichst schnelle Umschalten der Elektronen zwischen zwei unterschiedlichen Zuständen. Das dafür verwendete Laserlicht im Terahertz-Bereich besteht als elektromagnetische Welle aus einem rasant schwingenden elektrischen und 
magnetischen Feld. Analog zum Aus- und Einschalten einer Spannung an einem Halbleiter werden die Elektronen, die zunächst optisch angeregt werden, in einem zweiten Schritt mit den Terahertz-Lichtimpulsen extrem schnell beschleunigt. Noch vor der Schwingung der Lichtwelle bringt diese Welle die Ladungen dann wieder zur Kollision und sendet spektral breitbandiges Licht (Licht verschiedener Farben) aus, die sogenannten Seitenbänder.

Die Elektronen müssen von einem Energietal in ein anderes ungleichwertiges Energietal gelangen und dabei eine Art Berg überwinden. Im erfolgreichen Experiment gelang es den Forschern in Regensburg, 66 Prozent der Elektronen innerhalb von sieben Femtosekunden zu transportieren, wobei eine Femtosekunde den Millionstel Teil einer Milliardstel Sekunde bezeichnet. Laut Koch ist das eine der schnellsten Übertragungszeiten, die bisher weltweit erreicht wurden. Mit Hilfe einer Simulation sagen die Forscher sogar eine Effizienz von 96 Prozent für leicht verbesserte Bedingungen voraus.

Hintergrund

Die Entwicklung von Quantencomputern steckt noch in den Kinderschuhen. Diese neue Generation von viel schnelleren Computern könnte aber die Computerindustrie erneut revolutionieren. Computer bestehen aus Bauteilen, die auf der Bewegung von Elektronen basieren. Der Elektronentransport kommt durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zustande. Die Erzielung von verbesserten Leistungen durch miniaturisierte Bauteile stößt jedoch an ihre Grenzen. Einen Ausweg aus diesem Dilemma könnte die Kontrolle von Elektronenbewegungen durch das elektrische Feld einer Lichtwelle darstellen. Für eine künftige Quanteninformations-technologie arbeiten Physiker auf der ganzen Welt an Besteckkästen neuartiger Instrumente.     

Die jetzt erreichte Schaltgeschwindigkeit bedeutet auch, dass sich die Rechengeschwindigkeit in einem potenziellen Quantencomputer auf Basis der jetzt im Experiment erarbeiteten Methode um ein Vielfaches erhöhen könnte. US-Forscher Professor Mackillo Kira geht sogar davon aus, dass auch ein auf Basis der Erkenntnisse hergestellter Quantencomputer um eine Million mal schneller rechnen könnte als herkömmliche Computer (siehe HINTERGRUND).

Ob die Idee aus Marburg und Regensburg wirklich die erfolgversprechendste Variante in einem internationalen Wettlauf darstellt, das bleibt abzuwarten. Laut Professor Koch arbeiten eine Reihe von Forschergruppen mit unterschiedlichen Halbleitermaterialien und Herangehensweisen an Ideen für die nächste Generation von Computern: die Quantencomputer. Derzeit existieren bereits einzelne Prototypen und Bausteine wie Transistoren.
Für die marktreife Einführung eines Quantencomputers würden aber noch Milliardeninvestitionen und viel ingenieurwissenschaftliches Know-how notwendig sein. Das wäre dann aber nicht mehr die Aufgabe von theoretischen und experimentellen Physikern.

von Manfred Hitzeroth

Teamwork von Physikern ermöglicht Aufsatz

„Lichtwellen-Valleytronics in einer Monolage von Wolframdiselenid“: Dies ist der Titel der jetzt veröffentlichten „Nature“-Publikation. Das Ergebnis ist ein Teamwork von Physikern der Universitäten Regensburg, Marburg und Ann Arbor (USA). Die Arbeiten bis zur Veröffentlichung in der international angesehenen Wissenschaftspublikation „Nature“ nahmen rund anderthalb Jahre in Anspruch, erläutert der Marburger Physiker Professor Stephan W. Koch im Gespräch mit der OP.

Während die Kollegen aus Regensburg vor allem für die Laserexperimente mit Halbleitermaterialien im speziell ausgestatteten High-­Tech-­Labor verantwortlich waren, kümmerte sich Kochs Mannschaft vor allem um den theoretischen Background. Neben dem ehemaligen Marburger Professor Mackillo Kira (Ann Arbor) zählten zum Team von Koch noch Dr. Peter Hawkins und Dr. Ulrich Huttner.

Energietäler sind der Schlüssel

Sie waren hauptsächlich verantwortlich für quantenmechanische Berechnungen. Sie berechneten einerseits die Eigenschaften des Halbleiters und griffen andererseits auf Modelle der Quantenmechanik zurück, um die Prozesse im Inneren des Materials zu beschreiben. „Dabei handelt es sich nicht mehr um klassische Physik, sondern um die Berechnung von Wellen oder Teilchen auf der Ebene der Quantenmechanik“, erläutert Koch. Auf der atomaren Ebene des Halbleitermaterials, mit dem experimentiert wurde, treten die Quanteneigenschaften besonders deutlich hervor. In der elektronischen Struktur der Materialien entstehen zwei ungleichwertige „Energietäler“ (Englisch: Valleys).

Ob sich nun 
ein Elektron in dem einen oder anderen Tal aufhält, das kann mit einer Größe beschrieben werden, die dem quantenmechanischen Spin – also dem Eigendrehimpuls eines Elektrons – entspricht. In diesem Fall sprechen die Forscher vom Pseudospin. Die Versuche, diesen Pseudospin als Quantenbit zu verwenden, werden als „Valleytronik“ bezeichnet. In den Versuchen wurde nun gezeigt, wie der Valley-Pseudospin von Wolframdiselenid in Rekordzeit umgeschaltet werden konnte.

Versuchsaufbau musste verändert werden

Die Aufgabe der theoretischen Physiker aus Marburg und Ann Arbor war es vor allem, eine Vielzahl von Gleichungen zu lösen. Denn die „Energietäler“ bestehen jeweils aus einer riesigen Anzahl von Punkten. Für jeden dieser Punkte wurden nun dessen spezielle Eigenschaften ausgerechnet, erläutert Koch. Für das Setting der Experimente mussten auch die genauen Bedingungen auf Basis von Programmierungen festgelegt werden. Zum Beispiel ging es um die genaue Einstellung der Frequenzen, mit denen an der Regensburger Hochfeld-Terahertz-Quelle intensive Lichtimpulse erzeugt werden.

Dabei mussten die Wissenschaftler beispielsweise mit einberechnen, dass durch die Befestigung der Wolframdiselenid-Schicht auf einem Substrat aus Diamant-Kristall das Lichtfeld geschwächt wurde und die Experimentierbedingungen somit leicht verändert wurden. Am 2. Mai wurden die Ergebnisse der Forscher publiziert. Für die Wissenschaftler aus Marburg 
und Regensburg war es nicht das erste Mal, dass ihnen eine gemeinsame „Nature“-Publikation gelang. In zahlreichen Gesprächen flossen immer wieder neue Argumente ein, bis die Publikation veröffentlichungsreif war und auch der Begutachtung durch Fachkollegen 
standhielt.

von Manfred Hitzeroth

 Das graue Sechseck steht für das Halbleitermaterial Wolframdi­selenid. Rot und blau eingefärbt sind die unterschiedlichen Energietäler. Die Elektronen werden mit Licht zur Bewegung in den 
K-Tälern oder den K’-Tälern angeregt. Grafik: AG Koch