Eine Forschungskooperation zwischen der Universität Cambridge und Halbleiter-Physiker*innen der Johannes Kepler Universität Linz hat einen wesentlichen Durchbruch im Bereich der Quanten-Netzwerke erzielt. Damit können Quanteninformationen länger zwischengespeichert werden - eine wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung von Quantennetzwerken für die Quantenkommunikation und Quantencomputer.

Passend zum "Internationalen Quantenjahr 2025" dürfen sich die Wissenschaftler*innen der JKU Semiconductor Physics Division rund um Univ.-Prof. Dr. Armando Rastelli über einen bedeutenden Erfolg freuen. Gemeinsam mit britischen Kolleg*innen konnten sie einen wichtigen Schritt erzielen, so dass Halbleiter-Quantenpunkte nun auch als Quantenknoten verwendet werden können.

Quantenpunkte sind Nanostrukturen mit bestimmten Eigenschaften (1 Nanometer entspricht einem Millionstel Meter). Da sie so winzig sind, kommen Quanteneffekte zutage, die bei größeren Materialien nicht auftreten. Kurz: Durch Quanteneffekte hängen die optischen und elektronischen Eigenschaften der Quantenpunkte von ihrer Größe ab und können entsprechend genutzt werden. Anwendung finden sie z.B. in Bildschirmen moderner TV-Geräte oder in der Medizin zur Markierung von Krebszellen. Dazu können Quantenpunkte als Quellen einzelner und verschränkter Photonen dienen, die eine zentrale Rolle bei der Entwicklung von Systemen für die sichere Datenübertragung anhand der Quantenkommunikation spielen.

"Quantenpunkte sind winzige Allrounder"

"Quantenpunkte sind quasi winzige Allrounder", so Univ.-Prof. Rastelli. "Das Problem war bislang, dass Quantenpunkte nicht gut als Speicher von Quanteninformation verwendbar waren. Im Material der Quantenpunkte treten Störungen auf. Man sagt dazu, dass die Kohärenz gestört wird". Anders gesagt: Durch Einflüsse wie Wärme oder Fluktuationen im Material wird die Kohärenz gestört, wodurch Quanteninformation verloren geht.

Neuer Ansatz führt zum Erfolg

Dadurch war es nicht möglich, robuste und "langdauernde" Quantensysteme zu produzieren. "Dieses Defizit konnten wir überwinden, indem wir unkonventionelle und besonders rauscharme Quantenpunktstrukturen an der JKU hergestellt haben", freut sich der JKU Forscher. Verwendet wurde dazu eine Methode mit dem Namen "Molekularstrahlepitaxie".

Den Physiker*innen aus Cambridge ist es mit den Proben aus der JKU gelungen, die natürlichen Kernspins (eine Eigenschaft von Atomkernen) innerhalb eines Quantenpunkts als Quantenregister zu nutzen.

Was kompliziert klingt, bedeutet im Endeffekt: Was bisher zu instabil war, konnte von den Forscher*innen soweit stabilisiert werden, dass circa 13.000 Kernspins als Quantenspeicher genutzt werden konnten.

Mithilfe ultraschneller Operationen auf einem einzigen, in einem Quantenpunkt gefangenen Elektron, führten sie einen vollständigen Zyklus von Schreiben, Speichern, Abrufen und Auslesen von Quanteninformationen durch - mit einer bemerkenswerten Genauigkeit von fast 69 % und einer Speicherdauer von 130 Mikrosekunden.

Forschung wird fortgeführt

"Dieser Durchbruch verdeutlicht das Potenzial der Vielteilchenphysik, Quanten-Technologien zu revolutionieren. Unsere Ergebnisse sind ein entscheidender Schritt in Richtung der Zukunft der Quantenkommunikation und -informatik", ist Rastelli zuversichtlich.

Das Ergebnis wurde nun im renommierten Fachmagazin "Nature Physics" publiziert und soll mit den Kolleg*innen aus Cambridge weiterentwickelt werden. Ein entsprechendes EU-Projekt ist bereits genehmigt worden.

Das Ziel: "In Zukunft wird es möglich sein, die Kohärenzzeit des Kernensembles bis zu einem Bereich von 10 Millisekunden zu verlängern. Das wäre ein wesentlicher Schritt, um Quantenpunkte, unter anderem als Zwischenspeicher für Quantenverstärker zu nutzen, die räumlich getrennte Quantencomputer verbinden könnten", zeigt sich Rastelli ambitioniert.

Zum Paper: https://www.nature.com/articles/s41567-024-02746-z

Rückfragen:
Univ.-Prof. Dr. Armando Rastelli
Semiconductor Physics Division
Tel.: 0732 2468 8650
E-Mail: armando.rastelli@jku.at