Verschränkte Elektronen für Quantencomputer

Basel (Schweiz) - Schweizer Forscher haben ein elektronisches Bauteil entwickelt, das nach Bedarf verschränkte Elektronen liefern kann. Verschränkung ist ein quantenmechanisches Phänomen, bei dem Teilchen auch über große Entfernungen ein gemeinsames System bilden, wobei die Eigenschaften der beiden Teilchen voneinander abhängen. Verschränkte Teilchenpaare sind nicht nur für die Grundlagenforschung wichtig, sondern auch für Anwendungen in den Bereichen Quanten-Verschlüsselung und Quanten-Computing. Bislang standen hierfür nur verschränkte Photonen - also Lichtquanten - zur Verfügung. Das jetzt im Fachblatt "Nature" vorgestellte Bauteil liefert erstmals verschränkte Elektronen für elektronische Anwendungen dieses Quanteneffekts.

Christian Schönenberger von der Universität Basel und seine Kollegen nutzen als Quelle für ihre verschränkten Elektronen einen Supraleiter. Bei Supraleitung liegen die Elektronen nicht mehr als einzelne Ladungsträger, sondern als so genannte Cooper-Paare vor. "Diese Paare sind bereits inhärent verschränkt", so Schönenberg. Die Schwierigkeit liegt darin, die Paare in separate Elektronen aufzuspalten, ohne die Verschränkung zu zerstören.

Das gelang den Forschern mit einer an den Supraleiter angeschlossenen y-förmigen Verzweigung. In jedem Arm dieser Verzweigung befindet sich ein so genannter Quantenpunkt. Dabei handelt es sich um halbleitende Nanostrukturen, in denen die Beweglichkeit der Elektronen in alle drei Richtungen eingeschränkt ist, sodass ihre Energie nicht mehr kontinuierlich ist, sondern wie in einem Atom nur noch diskrete Werte annehmen kann. Die Quantenpunkte lassen sich deshalb so konfigurieren, dass sie nur ein einziges Elektron zur Zeit aufnehmen können.

Deshalb sind die beiden Elektronen des Cooper-Paares sind gezwungen, jeweils in einen der beiden Quantenpunkte einzudringen, und können dann von dort über angeschlossene Kontakte weiter auseinander geführt werden. "Die Quantenpunkte wirken wie Drehkreuze und lassen nur ein Elektron zur Zeit hindurch", so Schönenberger. In ihren Experimenten gelang es den Wissenschaftlern, etwa zwei Prozent der über den Supraleiter in die Anordnung eingespeisten Elektronen an den beiden Ausgängen des y-förmigen Bauteils als verschränkte Paare zu erhalten. "Das mag wenig erscheinen, ist aber bereits um viele Größenordnungen besser als die derzeit effektivste Produktion von verschränkten Photonen", so die Wissenschaftler.