Wissenschaftler auf dem Weg zum Quantencomputer
Eine EU-finanzierte Forschungsgruppe der Universität Cardiff, Vereinigtes Königreich, feuerte erfolgreich Photonen (Lichtteilchen) in einem winzigen Türmchen aus Halbleitermaterial ab. Ziel der Bemühungen ist es, die Rechenleistung von Computern zu erhöhen. Die Forschungsarbeit ist das Ergebnis des Projekts CUSMEQ (Coherent ultra-fast spectroscopy and manipulation of excitonic Q-bits), das mit fast 179.000 EUR unter dem Programm "Menschen" des Siebten Rahmenprogramms (RP7) finanziert wurde. CUSMEQ untersuchte die kohärente Ultrakurzzeitspektroskopie und Manipulation einzelner exzitonischer Zustände im Innern eines Halbleiter-Quantenpunktes. Die Ergebnisse der Studie wurden jetzt in der Fachzeitschrift "Nature Materials" veröffentlicht. Die Wissenschaftler der School of Physics and Astronomy an der Universität Cardiff beschreiben die Kollision zwischen einem Photon und einem Elektron, das in kleineren Strukturen innerhalb des Türmchens eingeschlossen ist. Vor ihrem Wiederaustritt oszillieren die Lichtteilchen kurzzeitig zwischen den Zuständen Licht und Materie. "Einzelne Licht- und Materiequanten zusammenzubringen, ist konzeptionell und technisch recht kompliziert. Erreicht wird dies zum Beispiel, indem ein in einen Quantenpunkt eingeschlossenes Exziton in einen optischen Mikroresonator eingebettet wird, bei dem das Lichtfeld auf ein sehr kleines Modenvolumen beschränkt ist", heißt es in der Studie. "Im Ergebnis dessen oszilliert ein optisch angeregtes Quantum zwischen Licht und Materie, bevor es in die Umgebung austritt und sich verteilt. Die Forscher verwendeten im Test sowohl einzelne Photonen als auch Photonenpaare. Wie sie berichten, ist bei Photonenpaaren die Frequenz der Oszillation zwischen Licht und Materie höher als bei einzelnen Photonen. Die Ergebnisse der neuen Studie bestätigen theoretische Voraussagen aus Studien, die fast 50 Jahre zurückliegen. In einem 1,8 Mikrometer großen Türmchen aus Halbleitermaterial (1000 Mikrometer = 1 Millimeter) senkten die Cardiff-Forscher die Temperatur auf -263°C ab. 10 Pikosekunden lang (eine Pikosekunde ist der billionste Teil einer Sekunde) waren die Photonen darin eingeschlossen. Die neuen Erkenntnisse könnten für Furore in der IKT-Branche (Informations- und Kommunikationstechnologie) sorgen und, so die Forscher, die Konstruktion logischer Systeme beflügeln, die sich die Interaktion zwischen diesen Partikeln zunutze machen (in Fachkreisen auch Quanteninformatik genannt). Im Endeffekt lässt sich so die Verarbeitung von Informationen beschleunigen, da die Teilchen eine deutlich höhere Geschwindigkeit und einen niedrigeren Energieaufwand haben als herkömmliche elektronische Rechnerbauteile. "Diese Interaktion kann einen stetigen Photonenstrom erzeugen und vielleicht auch die Grundlage für eine Ein-Photonenlogik bilden", erklärt Professor Wolfgang Langbein von der School of Physics and Astronomy. "Auf lange Sicht bieten sich damit Einsatzmöglichkeiten in vielen Bereichen wie etwa der Rechentechnik, der Telekommunikation und der Verschlüsselung von Daten", fügt er hinzu. Allerdings sind noch diverse technische Hürden zu nehmen. Professor Langbein hierzu: "Bevor diese Technologie in Computern eingesetzt werden kann, müssen erst einmal die Temperatureigenschaften so verbessert werden, dass die Prozesse auch bei Raumtemperatur stattfinden können. Momentan ist hier noch keine reale Lösung in Sicht, aber wir arbeiten daran."
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Vereinigtes Königreich