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Einem deutsch-chinesischen Forschungsteam ist es gelungen, ein Quantenbit in einer Halbleiter-Nanostruktur zu realisieren. Mithilfe eines besonderen Energieübergangs erzeugten die Forschenden in einem Quantenpunkt – einem eng begrenzten Bereich des Halbleiters – einen überlagerten Zustand, in dem ein Elektronenloch gleichzeitig zwei verschiedene Energieniveaus besaß. Solche Überlagerungszustände sind die Basis für das Quantencomputing. Die Anregung des Zustands benötigt normalerweise einen Laser, der Licht im Terahertz-Bereich ausstrahlt. Diese Wellenlänge ist jedoch zu groß, um den Strahl auf den winzigen Quantenpunkt fokussieren zu können. Der deutsch-chinesischen Gruppe gelang die Anregung nun mit zwei fein aufeinander abgestimmten kurzwelligen Lasern.

Das Team um Feng Liu von der Zhejiang University in Hangzhou berichtet über die Ergebnisse gemeinsam mit einer Gruppe um Dr. Arne Ludwig von der Ruhr-Universität Bochum sowie weiteren Forschenden aus China und Großbritannien in der Zeitschrift „Nature Nanotechnology“, online veröffentlicht am 24. Juli 2023.

Laser lösen strahlenden Auger-Prozess aus

Das Team machte sich den sogenannten strahlenden Auger-Prozess zunutze: En Elektron fällt von einem höheren auf ein niedrigeres Energieniveau und gibt dabei seine Energie teils in Form eines einzelnen Lichtteilchens ab, teils überträgt es die Energie auf ein anderes Elektron. Der gleiche Prozess kann auch bei Elektronenlöchern – fehlenden Elektronen – beobachtet werden. 2021 war es einem Forschungsteam erstmals gelungen, den strahlenden Auger-Prozess gezielt in einem Halbleiter anzuregen.

In der aktuellen Arbeit zeigten die Forschenden, dass der strahlende Auger-Prozess kohärent manipuliert werden kann: Sie nutzten zwei verschiedene Laserstrahlen, deren Intensitäten in einem bestimmten Verhältnis zueinanderstanden. Mit dem ersten Laser hievten sie ein Elektron-Loch-Paar im Quantenpunkt auf ein höheres Energieniveau. So entstand ein Quasiteilchen aus zwei Löchern und einem Elektron. Mit einem zweiten Laser lösten sie den strahlenden Auger-Prozess aus, um eines der Löcher in nochmals höhere Energiezustände zu bringen.

Zwei Zustände gleichzeitig

Mithilfe fein abgestimmter Laserpulse erzeugte das Team eine Überlagerung zwischen dem Loch-Grundzustand und dem höheren Energiezustand. Das Elektronenloch existierte also gleichzeitig in beiden Zuständen. Solche Überlagerungen sind die Basis für Quantenbits, die anders als herkömmliche Bits nicht nur in den Zuständen „0“ und „1“ existieren, sondern auch in Überlagerungen davon.

Die hochreinen Halbleiterproben für das Experiment produzierte Hans-Georg Babin an der Ruhr-Universität Bochum unter der Leitung von Dr. Arne Ludwig am Lehrstuhl für Festkörperphysik von Prof. Dr. Andreas Wieck. Hierbei wurde unter anderem die Ensemble-Homogenität der Quantenpunkte erhöht und auf eine hohe Reinheit der hergestellten Strukturen geachtet. Diese Maßnahmen erleichterten den chinesischen Partnern um Jun-Yong Yan und Feng Liu die Durchführung der Experimente.