Maser aus künstlichen Molekülen emittiert gebündelte Mikrowellen

Princeton (USA) - Maser sind die wenig bekannten Schwestern von Lasern. Sie senden kein gebündeltes Licht, sondern kohärente Mikrowellenstrahlung aus. Noch hinkt die Entwicklung von Masern der von Lasern um Jahrzehnte hinterher. Doch gelang es nun amerikanischen Physikern, einen neuartigen Maser aus winzigen Quantenpunkten zu entwickeln. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, basiert die Verstärkung der Mikrowellen auf Tunnelprozessen einzelner Elektronen. Solche Maser könnten in Zukunft für die Ansteuerung von Quantenbits, den Basiseinheiten von Quantencomputern, genutzt werden.

„Unser Maser wird durch das Tunneln einzelner Elektronen gepumpt“, erklärt Jason Petta von der Princeton University das Grundprinzip ihres kleinen Prototyps. Um dieses quantenmechanische Phänomen nutzen zu können, setzte Petta mit seinen Kollegen zwei winzige Quantenpunkte aus dem Halbleiter Indiumarsenid auf eine Unterlage und kontaktierten diese über mehrere Elektroden aus Gold und Titan. Dieses Modul koppelten sie mit einem Resonator, in dem die Mikrowellen einer festen Frequenz verstärkt werden konnten.

Legten die Forscher nun einen Spannung an ihren Maser, tunnelten einzelne Elektronen durch die Quantenpunkte, die auch als künstliche Moleküle bezeichnet werden. In den Quantenpunkten wurden dabei Photonen erzeugt, die zu einer Verstärkung der Mikrowellen im Resonator beitrugen. Erste Testläufe zeigten, dass mit diesem Aufbau eine 1000-fache Verstärkung bei der Frequenz von 7880,6 Megahertz erreicht werden konnte. Ein großer Vorteil gegenüber früheren Masern, die mit Lichtpulsen eines Lasers gepumpt wurden, ist der rein elektrische Betrieb.

Laut Petta kann die emittierte Wellenlänge solcher Halbleiter-Maser über einen weiten Frequenzbereich zwischen Giga- und Terahertz angepasst werden. Dazu müsste lediglich der Aufbau und die Struktur der verwendeten Quantenpunkte angepasst werden. Viele Anwendungen für Maser gibt es bisher nicht. Doch kann sich Petta vorstellen, dass kohärente Mikrowellenstrahlung für die Steuerung von Quantencomputern geeignet sind. „Unsere Ergebnisse sind ein wichtiger Fortschritt, um zwischen zwei etwa einen Zentimeter voneinander entfernten Quantenbits eine Verschränkung zu generieren“, sagt Petta. Die quantenphysikalische Verschränkung dieser Basiseinheiten von Quantencomputern ist die Grundlage, um komplexe Rechenaufgaben parallel und damit effizienter als mit herkömmlichen Prozessoren lösen zu können.