Auf die Spitze getrieben – künstliche Atome für den Quantencomputer

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.

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