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Eine winzig kleine Veränderung bedeutet in der Quantenphysik einen großen Durchbruch: Einem internationalen Forschungsteam aus Bochum und Kopenhagen ist es gelungen, zwei Quantenpunkte in einem Nanochip zu koppeln. Nach der Anregung eines Quantenpunktes mittels eines Lasers wird ein Signal ausgesendet, dessen Ursprung nicht mehr auf einen der Quantenpunkte zu beziehen ist, so als hätten beide je die Hälfte des Signals in Form eines einzelnen Photons ausgesandt. „Das klingt zunächst nach einem kleinen Erfolg, aber diese Signalverschränkung, die auf einem einzelnen Photon sitzt, ist dabei mehr als die Summe ihrer Teile“, sagt Dr. Arne Ludwig vom Lehrstuhl für Festkörperphysik der Ruhr-Universität Bochum. „Es bedeutet einen großen Schritt hin zur Nutzbarkeit der Quantentechnologie für Computeroperationen.“ Gemeinsam mit Forschenden des Niels-Bohr-Instituts der Universität Kopenhagen hat das Bochumer Team die Ergebnisse in der Zeitschrift Science vom 27. Januar 2023 veröffentlicht.

Illustration eines Chips mit zwei verschränkten Quantenlichtquellen

© Niels-Bohr-Institut der Universität Kopenhagen

Abermillionen Quantenpunkte auf einem Wirtskristall

Der Bochumer Part der aufwändigen Arbeiten umfasste das Design und die Herstellung der Halbleiterstrukturen für das Experiment. „Beim Bandstruktur-Engineering entwickeln wir Strukturen, in der sich künstliche Atome, sogenannte Quantenpunkte, gezielt ansteuern, kontrollieren und von den Umgebungsfluktuationen abschirmen lassen“, erklärt Arne Ludwig. Diese Struktur muss dann in einer hochreinen Ultrahochvakuumumgebung unter Berücksichtigung oberflächenphysikalischer Prozesse auf einem Wirtskristall hergestellt werden. Diesen Arbeitsschritt hat Dr. Sven Scholz, damals Promotionsstudent bei Arne Ludwig und Lehrstuhlinhaber Prof. Dr. Andreas Wieck, unter der Anleitung von Arne Ludwig übernommen. Anschließend werden die Eigenschaften der Strukturen optisch und elektronisch vermessen, die Ergebnisse analysiert und Parameter für optimierte Strukturen erarbeitet. „In der Halbleiterstruktur befinden sich viele Milliarden Quantenpunkte, von denen jeder einen Durchmesser von nur rund zehn Nanometern hat“, beschreibt Arne Ludwig. „Könnten wir all diese Quantenpunkte miteinander koppeln und für Quantenrechenoperationen kontrollieren, so hätten wir einen unvorstellbar mächtigen Computer. Dies allerdings ist derzeit noch völlig utopisch.“