Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Elektrische Kontaktierung eines Bits der Quantenwelt

28.10.2010
Wie die Zeitschrift "Nature" in der Ausgabe vom 28.10.2010 berichtet, zeigt die Hamburger Forschergruppe von Prof. Wiesendanger erstmals, dass im Labor einzelne Quantenbits in einem Halbleiter nun auch elektrisch adressiert werden können. Dies ist ein weiterer wichtiger Schritt auf dem Weg zum Zeitalter der Quanten-Informationstechnologie.

Sämtliche digitalen Geräte unseres derzeitigen Informationszeitalters basieren auf Rechenoperationen, die von Mikroprozessoren durchgeführt werden. Damit die Prozessoren rechnen können, werden in ihm die Zahlen in Ansammlungen so genannter Bits gespeichert und weiterverarbeitet.


(a) Rastertunnelmikroskopische Abbildung von fünf Quantenbits (Eisenatome, blau), die in die Oberfläche von Indiumantimonid (gelb) dotiert sind. (b) Schematische Darstellung des Adressierens, bei dem mittels eines magnetischen Lesekopfes (Spitze) der Spin der an das Eisenatom gebundenen Elektronen (Pfeile) ausgelesen werden kann. © 2010 Jens Wiebe, SPM-Gruppe von Prof. Roland Wiesendanger, Universität Hamburg

Das Bit, ein Zustand der entweder "1" oder "0" sein kann, ist also der Grundbaustein der Informationstechnologie. Heutzutage sind die Prozessoren im Wesentlichen aus Unmengen kleinster Transistoren aufgebaut, die auf Silizium-Wafern aufgebracht sind. In diesen Transistoren wird ein Bit durch Aufladung mit Elektronen gespeichert: ist der Transistor mit Elektronen geladen, entspricht dies der "1", ist er ungeladen, entspricht dies der "0".

Die stetig zunehmende Miniaturisierung üblicher digitaler Geräte der Unterhaltungsindustrie erfordert immer kleinere und schnellere Prozessoren, welche die Flut der Daten auf kleinstem Raum in Sekundenbruchteilen verarbeiten kann. Daher gab es in den letzten Jahrzehnten einen exponentiellen Anstieg der realisierbaren Dichte der Transistoren. Diese Entwicklung wird jedoch in wenigen Jahren an ihre Grenzen stoßen, wenn nämlich die Transistoren so klein werden, dass sie nur noch aus wenigen hundert Siliziumatomen bestehen.

Um die wirtschaftliche Entwicklung aufrechtzuerhalten, ist daher ein Paradigmenwechsel vonnöten. Die Idee ist, in Transistoren oder ähnlichen Bauteilen nicht mehr die elektrische Ladung der Elektronen auszunutzen, sondern deren zweite Eigenschaft, die mit der Funktion einer Kompassnadel vergleichbar ist: Die Elektronen rotieren um ihre eigene Achse, sowohl links als auch rechts herum. Dabei erzeugen sie ein magnetisches Moment, welches nach unten oder oben zeigen kann. In der Ausrichtung dieses "Spins" könnte man also bereits in einem einzelnen Elektron die Information speichern, die einem Bit entspricht.

Aufgrund der kleinen räumlichen Ausdehnung des Elektrons, welches in Silizium z.B. an ein einzelnes Dotieratom gebunden sein könnte, wäre prinzipiell eine immens hohe Dichte der Bits realisierbar. Da das Wechseln des Zustands eines solchen Bits von "0" in "1" keinen Ladungstransport erfordert -das Elektron bleibt ja auf seinem Platz-, wäre die Verarbeitung dieser Bits in Prozessoren zudem durch einen deutlich geringeren Energieverbrauch begleitet.

Solche Bits gehorchen nicht mehr den mechanischen Gesetzen der uns vertrauten makroskopischen Welt, sondern obliegen der Quantenmechanik und werden daher auch "Quantenbit" genannt. Dies hat z.B. zur Konsequenz, dass das Quantenbit nicht mehr nur im Zustand "1" oder "0" sein kann, sondern in einer Mischung aus beiden Zuständen. Dadurch kann das Quantenbit also von sich aus schon mehr Information speichern als ein herkömmliches Ladungs-Bit. Ferner erlaubt dies prinzipiell auch Operationen durchzuführen, die sich genau diese Mischzustände zunutze machen, um wesentlich schneller und effizienter zu rechnen.

Um die Vision dieses "Quantencomputers" wahr werden zu lassen, sind jedoch verschiedenste Probleme zu lösen, wie z.B. das des elektrischen Auslesens des Zustands einzelner Quantenbits. Genau dieses Problem wurde von dem Hamburger Forscherteam nun geknackt.

Das Team um Dr. Jens Wiebe und Prof. Roland Wiesendanger vom Institut für Angewandte Physik untersuchte einen Indiumantimonid-Wafer, in dessen Oberfläche einzelne Eisenatome dotiert wurden (siehe Abbildung). Mit einem atomar feinen magnetischen Lesekopf war es ihnen möglich die Oberfläche abzutasten, und jedes einzelne Eisenatom zu adressieren. Wie die Untersuchung ergab, bilden die Elektronen, die an eins dieser Eisenatome gebunden sind, ein Quantenbit mit sogar drei möglichen Einstellungen ("1", "0", und "-1").

Mit dem Lesekopf war es nicht nur möglich auszulesen, in welchem seiner drei Zustände sich das Quantenbit bevorzugt aufhielt. Zudem konnte sein Zustand auch manipuliert werden, d.h. es war gewissermaßen möglich es mit Information zu "beschreiben".

Das Auslesen und Schreiben in Halbleiter dotierter Quantenbits war bisher nur unter sehr speziellen Bedingungen mit optischen Methoden möglich. Diese Methoden sind räumlich nicht präzise genug, um einzelne Quantenbits, die dicht gepackt sind, voneinander zu trennen. Mit dem von dem Hamburger Forscherteam entwickelten atomar präzisen Verfahren wird es dagegen jetzt möglich, Kopplungen zwischen benachbarten Quantenbits zu untersuchen. Diese Kopplungen sind letztendlich für die Funktion der zukünftigen Quantencomputer von entscheidender Bedeutung.

Originale Veröffentlichung:
A. A. Khajetoorians, B. Chilian, J. Wiebe, S. Schuwalow, F. Lechermann, and R. Wiesendanger, "Detecting excitation and magnetization of individual dopants in a semiconductor", Nature 467, 1084–1087 (2010)

DOI: 10.1038/nature09519

Heiko Fuchs | idw
Weitere Informationen:
http://www.sfb668.de
http://www.nanoscience.de
http://www.nanoscience.de/lexi

Weitere Berichte zu: Bit Eisenatom Elektron Halbleiter Kopplungen Prozessor Quantenbit Quantenwelt Transistor

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

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

nachricht Nanoinjektion steigert Überlebensrate von Zellen
22.02.2017 | Universität Bielefeld

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: 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...

Im Focus: Innovative Antikörper für die Tumortherapie

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig von diesen teuren Medikamenten profitieren, wird intensiv an deren Verbesserung gearbeitet. Forschern um Prof. Thomas Valerius an der Christian Albrechts Universität Kiel gelang es nun, innovative Antikörper mit verbesserter Wirkung zu entwickeln.

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Wie werden wir gesund alt? - Alternsforscher tagen auf interdisziplinärem Symposium in Magdeburg

23.02.2017 | Veranstaltungen

Luftfahrt der Zukunft

23.02.2017 | Veranstaltungen

Problem Plastikmüll: Was können wir gegen die Verschmutzung der Meere tun?

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hauchdünn wie ein Atom: Ein revolutionärer Halbleiter für die Elektronik

23.02.2017 | Energie und Elektrotechnik

Sonnenschutz von der Natur inspiriert

23.02.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie werden wir gesund alt? - Alternsforscher tagen auf interdisziplinärem Symposium in Magdeburg

23.02.2017 | Veranstaltungsnachrichten