Für die Entdeckung von Quantenpunkten wurde 2023 der Chemienobelpreis vergeben. Diese winzigen Strukturen in Halbleitermaterialien sind Grundlage für Leuchtdioden oder QLED-Bildschirme, gelten aber auch als Hoffnungsträger für Quantentechnologien. Physikern aus Linz und Cambridge ist es gelungen, durch die passende Materialkombination und Herstellungsmethode Quantenpunkte mit längerer Speicherdauer zu bauen - eine Voraussetzung für ihren Einsatz in Quantennetzwerken.

Quantencomputer werden künftig wohl mittels Photonen in einem Quantennetzwerk kommunizieren. Dafür werden optische Schnittstellen benötigt, etwa Quantenknoten oder Quantenrepeater, die das Signal auffrischen, ohne die empfindliche Quanteninformation zu zerstören. Vielversprechend für diese Aufgabe sind wenige Nanometer große Halbleiter-Quantenpunkte.

Quantenpunkte als "winzige Allrounder"

Sie können etwa als Quelle einzelner Photonen und verschränkter Photonenpaare dienen, oder als Quantenregister, das aus einzeln manipulierbaren Quanteninformationseinheiten (Qubits) besteht. Für Armando Rastelli vom Institut für Halbleiter- und Festkörperphysik der Universität Linz sind Quantenpunkte "winzige Allrounder". Allerdings sind sie derzeit nicht besonders gut als Speicher für Quanteninformation verwendbar. Denn im Material der Quantenpunkte führen Störungen zur sogenannten "Dekohärenz" und die empfindliche Quanteninformation geht verloren.

Derzeit werden herkömmliche Halbleiter-Quantenpunkte aus zwei Materialien hergestellt, die eine leicht unterschiedliche Gitterkonstante (sie beschreibt den Abstand zwischen den Atomen in kristallinen Festkörpern) haben, etwa Indiumarsenid und Galliumarsenid. "Dies führt im Quantenpunkt zu räumlich unterschiedlichen Spannungen, die eine Art Hintergrund-Rauschen verursachen", erklärte Rastelli gegenüber der APA.

Stark unterdrücktes Rauschen

Die Linzer Physiker kombinierten daher für ihren Ansatz zwei Materialien mit ähnlicher Gitterkonstante, nämlich Galliumarsenid und Aluminiumgalliumarsenid. "Diese Kombination und die Nutzung der sogenannten Molekularstrahlepitaxie als Herstellungsmethode garantieren sehr kleine Verspannungen im Quantenpunkt und die sehr hohe Materialqualität. Damit ist das Rauschen stark unterdrückt", so der Physiker, der gemeinsam mit Kollegen von der Universität Cambridge (Großbritannien) über die Entwicklung im Fachjournal "Nature Physics" berichtet.

Den Forschern in Cambridge ist es mit den in Linz hergestellten Quantenpunkten gelungen, rund 13.000 Kernspins - der Eigendrehimpuls der Atomkerne - als Quantenspeicher zu nutzen. Mit einem Laser konnten sie ein einzelnes, in einem Quantenpunkt gefangenes Elektron ansprechen, damit die rund 13.000 Kerne kollektiv anregen und so einen vollständigen Zyklus von Schreiben, Speichern, Abrufen und Auslesen von Quanteninformation durchführen. Und das mit einer laut Forschern "bemerkenswerten Genauigkeit" von fast 69 Prozent und einer Speicherdauer von 0,13 Millisekunden.

Performance soll weiter verbessert werden

Rastelli ist zuversichtlich, dass es künftig möglich ist, die Speicherzeit auf zehn bis 20 Millisekunden auszudehnen. Das wäre ein wesentlicher Schritt für den Einsatz von Quantenpunkten als Zwischenspeicher für Quantenverstärker. Im internationalen Forschungsprojekt "Meedgard" arbeiten die Linzer Physiker mit den Kollegen aus Cambridge und der Fachhochschule Vorarlberg daran, die Performance ihrer unverspannten Quantenpunkte weiter zu verbessern. Mit Hilfe von Piezo-Aktuatoren sollen sie durch Anlegen einer elektrischen Spannung "kontrolliert verspannt werden, um damit die elektronischen Eigenschaften und die Kopplung zwischen Elektron und Kernen zu steuern", so Rastelli.

Service: https://doi.org/10.1038/s41567-024-02746-z