Quantenpunkt-Speicher durch induzierte Verspannung

Seit über einem Jahrhundert wird unser tägliches Leben durch technologischen Fortschritt rasant verändert. Elektronik in Computern und Mobiltelefone sind heute für fast alle verfügbar und treiben unsere gesamte Wirtschaft und Infrastruktur voran. Mit der stetig wachsenden Abdeckung des Internets erfahren die Bereiche Kommunikation, Wissenschaft und Handel weiter massiven Aufschwung. Alle unsere aktuellen Geräte verarbeiten, speichern und verbreiten Daten in Form von Bits, den kleinstmöglichen Informationspaketen, die in der klassischen Physik möglich sind. Sie können genau zwei Werte annehmen, z.B. Null oder Eins. Quantencomputer hingegen arbeiten mit Quantenbits (Qubits). Qubits können in jeder Überlagerung zwischen Null und Eins existieren und mehrere Qubits können miteinander verschränkt sein. Diese Art der Datenverarbeitung ermöglicht Problemlösungen, die mit klassischer Technologie nicht einmal prinzipiell möglich sind. Quantentechnologie könnte abhörsichere Kommunikation, medizinische Forschung und die Wissenschaft generell revolutionieren. Die Quantentechnologie bringt jedoch ihre eigenen Herausforderungen mit sich. Eine hartnäckige Herausforderung ist die Speicherung von Qubits. Das liegt daran, dass Qubits durch Wechselwirkung mit ihrer Umgebung leicht zerstört werden. Um das zu verhindern, können Qubits nicht einfach wie klassische Bits kopiert und verstärkt werden, da dies physikalisch unmöglich ist. Ohne eine geeignete Möglichkeit zur Speicherung von Qubits werden Fortschritte in der Quantenkommunikation stark behindert. Dieses Projekt zielt darauf ab, das Speicherproblem anzugehen. Wir nutzen kleinste Strukturen in einem Halbleiterchip, sogenannte Quantenpunkte, mit einer Größe von nur wenigen Nanometern. Unter bestimmten Bedingungen können Quantenpunkte Qubits in Form von Lichtteilchen (Photonen) empfangen, speichern und auf Knopfdruck in Form eines zweiten Photons wieder aussenden, ohne dabei das Qubit zu zerstören. Diese Art der Speicherung ist perfekt für unsere bestehende Infrastruktur, die bereits größtenteils auf optischen Glasfasern basiert. Die Universität in Cambridge verfügt über die Infrastruktur und das Fachwissen, um eine langfristige Speicherung von Qubits in Quantenpunkten zu erreichen. Wir verwenden Laser und ultraschnelle Detektoren, um Qubits in einen Quantenpunkt zu schreiben und wieder auszulesen. Dazu müssen wir unseren Halbleiterchip mit einem mikrometergroßen piezoelektrischen Aktuator, der direkt unter dem Chip sitzt, verpannen. Das Verspannen ermöglicht den Transfer des Qubits in die ca. 100000 Atomkerne des Quantenpunks und - bei Bedarf wieder zurück. Wir arbeiten mit Theoretikern und Materialwissenschaftlern in ganz Europa zusammen, um die idealen Quantenpunkte mit hoher Effizienz und langen Speicherzeiten zu entwickeln. Ein Erfolg würde einen großen Sprung in Richtung praktischer Quantencomputer und einer globalen Quanteninfrastruktur einem Quanteninternet bedeuten.