GaAs Spinqubits

 

Projektleitung: Hendrik Bluhm Hintergrundinformation Forschungsschwerpunkte Referenzen

 
Tim Botzem

Halbleiter Spinqubits sind vielversprechende Kandidaten für eine skalierbare Hardwareplattform für Quantencomputing. Dabei wird durch Nutzung des Superpositionsprinzip und von Verschränkung eine exponentielle Beschleunigung der Lösung gewisser Probleme erwartet. Unsere Gruppe wird die physikalischen Grundlagen dieser Bauelemente untersuchen und deren technologische Entwicklung vorantreiben. Dabei arbeiten wir sowohl in GaAs als auch in SiGe.

 

Hintergrundinformation

Qubit-Heterostruktur Pascal Cerfontaine

Elektronenspins sind Zwei-Zustands-Systeme und somit natürliche Kandidaten für Qubits. An unserem Institut erforschen wir Elektronenspins in Halbleiterstrukturen. Ausgehend von einem zweidimensionalen, durch Bandstrukturformung erzeugten Elektronengas, können einzelne Elektronen in einem durch Oberflächengatter definierten elektrostatischen Potential eingefangen werden.

GaAs ist ein [mature] Materialsystem, das nachweislich sämtliche grundlegenden Voraussetzungen für Qubit-Operationen besitzt. Wir beschäftigen uns schwerpunktmäßig mit Zwei-Elektronen-Spin-Qubits, wobei nur die beiden m=0-Zustände der beiden Spins für die Kodierung des Qubits genutzt werden [1]. Die Austauschwechselwirkung zwischen beiden Spins ermöglicht die Kontrolle des Qubits mithilfe elektrischer Impulse. Hier ist es uns unter anderem gelungen, einmalige Kohärenzzeiten zu erzielen [2] und die Verschränkung zweier Qubits nachzuweisen. [3]. Unsere Hauptziele sind unter anderem, die 1-und 2-Quibit-Operationen weiter zu optimieren und das Verfahren auf eine größere Anzahl von Qubits auszuweiten.

Eine wichtige Eigenschaft dieser Qubits ist die Interaktion zwischen den Elektronen und den Kernspins des Wirtsgitters. Jedes Elektron ist mit einigen Millionen Kernspins gekoppelt, die ein fluktuierendes effektives Magnetfeld erzeugen. Die Fluktuationen sind eine Hauptursache von Dephasierung, aber sie können auch zur Kontrolle von Qubits genutzt werden. [4]. Das kombinierte System weist eine starke Quantendynamik auf und dient somit als Modellsystem für die Grundlagenforschung von Dekohärenz und offener Quantensysteme.

 

Projekte

  1. Qualitativ hochwertige Ein-Qubit-Gatter
    Wir arbeiten an der Realisierung hochwertiger Operationen auf einzelnen Singlet-Triplet Qubits in GaAs.
  2. Resonante Kernpolarisierung
    Wir untersuchen neue Methoden zur Realisierung eines effizienteren Transfers zwischen Elektronen- und Kernspins
  3. Analyse der Quantendynamik mithilfe von Korrelationsmessungen
 

Forschungsschwerpunkte

Wir betreiben Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Bauteilphysik und beschäftigen uns mit der Entwicklung von Qubit-Technologien. Ein Schwerpunkt unserer Arbeit ist die präzise Manipulation von Qubits mithilfe numerisch optimierter Kontrollimpulse und In-Situ-Optimierung. Theoretische Ergebnisse legen nahe, dass qualitativ hochwertige Gatter realisierbar sind, die eine Quantenfehlerkorrektur ermöglichen. Ebenso entwickeln wir verbesserte Methoden dynamischer Kernpolarisierung, um die durch kernspins verursachte Dephasierung zu reduzieren. Dies geschieht durch die Kontrolle ihrer Polarisierung mithilfe des Qubits. Ebenso untersuchen wir die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit und die Eigenschaften der resultierenden speziellen, „verengten“ Zustände.

Des weiteren haben wir neue Messmethoden entwickelt, die durch Korrelation der Ergebnisse nachfolgender „initialize-evolve-measure“-Zyklen die Dynamik der Umgebung eines Qubits über eine große Anzahl von Zeitskalen untersuchen. Angewandt auf Qubits wird die große Bedeutung der Larmor-Präzession von Kernspins und ihrer Dephasierung deutlich. Des weiteren beschäftigen wir uns mit der Interaktion zwischen Kernspins und der Spin-Bahn-Kopplung.

Weitere Schwerpunkte künftiger Forschung sind die Entwicklung von Multi-Qubit-Schaltungen und die Dämpfung des Ladungsrauschens, ein weiterer wichtiger Faktor, der die Leistungsfähigkeit von Qubits beeinflusst.