Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Auf die Spitze getrieben – künstliche Atome für den Quantencomputer

30.06.2014

Ein internationales Forscherteam unter Leitung des Paul-Drude-Instituts für Festkörperelektronik (PDI) hat identische Quantenpunkte aus einzelnen Atomen aufgebaut. Die perfekte Reproduzierbarkeit dieser mikroskopisch kleinen Objekte ist ein wichtiger Meilenstein für neue Technologien wie den Quantencomputer und die Nano-Optik. Die Ergebnisse des Forscherteams sind in der Juli-Ausgabe der Zeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Quantenpunkte werden oft als „künstliche Atome“ bezeichnet, da sie – genauso wie reale Atome – Elektronen in quantisierte Zustände mit diskreten Energien zwingen. Diese Analogie trifft allerdings nur bedingt zu: Während reale Atome identisch sind, bestehen herkömmliche Quantenpunkte aus Hunderten bis zu Tausenden von Atomen, was zu unvermeidlichen Schwankungen in ihrer Größe und Form und damit ihren physikalischen Eigenschaften führt.


Quantenpunkt aus 22 Atomen in sechs verschiedenen Quantenzuständen. | Abb. PDI


Drei Quantenpunkte koppeln in definierter Weise miteinander. Damit zeigen sie ein Verhalten, wie es auch in realen Molekülen vorliegt. Abb.: PDI

PDI-Physiker Stefan Fölsch, Leiter des Teams, erklärt: „Für Anwendungen wie zum Beispiel den Quantencomputer ist es erforderlich, die Größe von Quantenpunkten – und damit deren Quantenzustand – genau kontrollieren zu können.“ Die störenden Einflüsse konnten bislang durch Kunstgriffe wie das Anlegen äußerer elektrischer Spannungen teilweise ausgeglichen werden. Nun hat das Forscher-Team aus Berlin, Japan und den USA das ambitioniertere Ziel, Quantenpunkte mit perfekter Genauigkeit herzustellen, erstmals erreicht.

Um einen atomar präzisen Quantenpunkt herzustellen, muss jedes seiner Atome exakt und fehlerfrei positioniert sein. Die Forscher setzten dafür die Quantenpunkte Atom für Atom mit Hilfe einer „atomaren Pinzette“ auf einer Unterlage zusammen. Bei der Unterlage handelt es sich um die Oberfläche eines Indium-Arsenid-Halbleiterkristalls. Kiyoshi Kanisawa, Physiker an den NTT Basic Research Laboratories in  Japan, erläutert die besondere Struktur: „Der Kristall besitzt in der obersten Schicht ein regelmäßiges Muster von Indium-Leerstellen – dadurch sind die möglichen Positionen der zu platzierenden Atome vorgegeben. Gleichzeitig liegen auf der obersten Schicht zusätzliche, positiv geladene, Indiumatome in ungeordneter Form vor.“

Ein Rastertunnelmikroskop dient den Wissenschaftlern normalerweise zum Abbilden von Oberflächen: Mit der Spitze tastet es die Ladungsdichteverteilung der Oberfläche ab, daraus lässt sich auf die Position der Atome zurückschließen. Die Physiker des PDI haben die Spitze nun nicht nur zum Abbilden, sondern zum Manipulieren einzelner Atome verwendet. Wie mit einer Pinzette haben sie jeweils ein Indiumatom auf die Spitze gepickt und an einer anderen Stelle positioniert. Das Team setzte Quantenpunkte in Form von linearen Ketten aus sechs bis 25 Indiumatomen zusammen.

Steve Erwin, Physiker aus Washington D.C. und Theoretiker des Teams, erklärt: „Die positiv geladenen Indiumatome bilden einen Quantenpunkt aus, indem sie Elektronen binden und quantisieren, die normalerweise der Oberfläche des Indium-Arsenid-Kristalls zuzuordnen sind.“

Dass die Elektronen quantisiert werden hängt damit zusammen, dass sie durch die positiv geladene Kette von Indiumatomen räumlich eingesperrt sind. Und weil sich das Ganze in so winzigen Dimensionen abspielt, gelten hier die Gesetze der Quantenphysik. Die räumliche Verteilung der Elektronen spiegelt deren quantenmechanische Wellenfunktion wider, „gleichsam einer schwingenden Saite entlang der Atomkette“, so PDI-Physiker Fölsch. Das Beispiel in der Abbildung zeigt sechs einzelne Quantenzustände, die – um im Bild der schwingenden Saite zu bleiben – dem Grundton (ganz unten) und den darauf folgenden Obertönen entsprechen.

Da die möglichen Positionen der Indiumatome durch das regelmäßige Gitter der Leerstellen vorgegeben sind, ist jeder Quantenpunkt aus einer festen Anzahl linear angeordneter Atome praktisch identisch, ohne jegliche Schwankung in seiner Größe oder Form.

Für Anwendungen in der Quanteninformatik müssen mehrere solcher Quantenpunkte miteinander gekoppelt werden. Die PDI-Forscher haben dafür dreifache Quantenpunkte aus je drei Ketten angeordnet. Diese koppeln in definierter Weise miteinander und es zeigt sich ein Verhalten, wie es auch in realen Molekülen vorliegt. „Mit diesen genau definierten Quantenzuständen kommen wir dem Quantencomputer einen weiteren Schritt näher“, betont Stefan Fölsch. 

Publikation

S. Fölsch1, J. Martínez-Blanco1, J. Yang1, K. Kanisawa2, S. C. Erwin3, Quantum dots with single-atom precision, Nature Nanotechnology, vol. 9, No. 7 (2014) 

1Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik

2NTT Basic Research Laboratories, Japan

3 Naval Research Laboratory, U.S.A. 

DOI: 10.1038/NNANO.2014.129

Kontakt

Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI)

Dr. Stefan Fölsch

Tel.:  +49 (0)30 20377 459

E-Mail: foelsch@pdi-berlin.de

Gesine Wiemer | Forschungsverbund Berlin
Weitere Informationen:
http://www.fv-berlin.de
http://www.fv-berlin.de/news/auf-die-spitze-getrieben-2013-kuenstliche-atome-fuer-den-quantencomputer

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor
23.02.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Kühler Zwerg und die sieben Planeten
23.02.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie