15/03/2013 - Ein Job öffnet einen neuen Weg, Quanten-Bit zu manipulieren und Informationen effizient zu übertragen

Menéame

Forscher Oberster Rat für wissenschaftliche Forschung (CSIC) in Zusammenarbeit mit dem National Research Council of Canadahat zum ersten Mal ein Phänomen gemessen und analysiert, das als Sphin-Block beim elektronischen Transport durch einen drei-Punkt-Quantikkreis oder künstliche Atome, die miteinander verbunden sind.

Die Arbeit, veröffentlicht in der Zeitschrift Natur Nanotechnology, eröffnet einen neuen Weg für die Handhabung von Quantenbits, die grundlegenden Komponenten der Computer der Zukunft, und für die effiziente Übertragung von Informationen zwischen zwei entfernten Regionen.

Die Elektronen besitzen nicht nur Ladung, sondern auch eine andere Eigenschaft, die sich in extrem kleinen Geräten manifestiert, die Quantenmechanik erfordern, um beschrieben zu werden: Spin. "Es handelt sich um eine Eigenschaft, die den Zustand des Elektrons definiert. Man kann sich ein Elektron mit dem Spion vorstellen, das nach oben zeigt, sich im Uhrzeigersinn dreht und im Gegenteil mit dem Sphin nach unten, im Gegenteil," erklärt die Forscherin des CSIC Gloria Platro, die am Institut für Materialwissenschaft in Madrid arbeitet. 

Die Abbildung oben zeigt den Strom durch drei Quantenpunkte in einem magnetischen Feld von 0.2 Teslas in den beiden Richtungen der Spannung. Der Strom wird in den Spin Blockade-Regionen ausgeschaltet. In der Abbildung unten wird der Strom durch drei Quantenpunkte ohne das Vorhandensein eines Magnetfelds angezeigt. L-R-Linien zeigen den elektronischen Strom von links (L) nach rechts (R) an, ohne durch den zentralen Quantenpunkt zu gehen./ CSIC

Gemäß dem Ausschlussprinzip von Pauli, einem grundlegenden Gesetz der Quantenmechanik, das von Wolfgang Ernst Pauli 1925 verkündet wurde, können zwei Elektronen keine gleichen Quantenzahlen haben, die ihren Zustand definieren. In dieser Arbeit, dies bedeutet, dass sie nicht haben können, spins in die gleiche Richtung in einem Quantenpunkt.

Plater: "Wenn also ein Elektron mit Spion nach oben in einem Atom oder Quantenpunkt der Kette ist, kann ein Elektron im benachbarten Atom mit dem Sphin nach oben nicht zum ersten gelangen und wird an dem Quantenpunkt, an dem es sich zunächst befindet, blockiert. Dieses Phänomen wird als Sphinblock bezeichnet und bewirkt, dass der elektronische Strom durch die Quantenpunktekette abrupt abnimmt und nicht mehr durch den Stromkreis fließt."

Die Wissenschaftler haben dieses Phänomen durch drei Quantenpunkte untersucht und festgestellt, dass der Effekt auch bipolar ist, da er auftritt, wenn eine Spannung auf beiden Enden der Kette in einer Richtung oder umgekehrt aufgetragen wird. Durch die Unterbrechung des Stroms aufgrund der Sperrung von Spins können die in diesen Systemen eingegrenzten Quanten-Bits manipuliert werden, eine potenziell vielseitigere und reichere Handhabung als bei anderen, die in früheren Arbeiten untersucht wurden.

Die Forschung eröffnet neue Horizonte für ihre mögliche Anwendung in Quanten-Computing und -Informationen. "Eine weitere überraschende Eigenschaft ist, dass Elektronen in diesem Kreislauf zwischen den Enden übertragen werden, ohne die Zwischenregion zu besetzen, dank einer grundlegenden Eigenschaft der Quantenmechanik: Quantenkohärenz," so die Forscherin des CSIC.

Nach Angaben des an der Arbeit beteiligten spanischen Teams sind die Ergebnisse ein erster Schritt zur Entwicklung und Analyse des elektronischen Verkehrs durch Ketten von mehr als drei Quantenpunkten. Potenzielle Anwendungen würden nicht nur in Bereichen wie Quanteninformation und -rechnern, sondern auch in der Spinaltechnik projiziert werden, wo der Spion anstelle der Ladung die Eigenschaften des Nanoelektronikkreises bestimmt.

"Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, Elektronen von einem Ende zum anderen zu transportieren, ohne die Zwischenregion in Systemen mit Nanodimension zu besetzen. Quantenprozessoren, die den Datentransfer über lange Strecken intakt halten müssen, könnten von dieser Studie profitieren," so Forscher.

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    M. Busl, G. Granger, L. Gaudreau, R. Sánchez, A. Kam, M. Pioro-Ladrière, S. A. Studenikin, P. Zawadzki, Z. R. Wasilewski, A. S. Sachrajda y G. Platero. Bipolar spin blockade and coherent state superpositions in a triple quantum dot. Nature nanotechnology. DOI: 10.1038/NNANO.2013.7.

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