Forscher*innen der Johannes Kepler Universität Linz ist es im Rahmen einer internationalen Kooperation gelungen, einen Fortschritt bei der Speicherfähigkeit von Quanteninformation zu erzielen.

Halbleiterbasierte Nanostrukturen sind vor allem eins: winzig klein. Sie bewegen sich in der Größenordnung von unter 50 Nanometern. Zum Vergleich: Viren sind bis zu 400 Nanometer „groß“. Zur Speicherung von klassischen Daten werden Halbleiter-Strukturen in Speicherkarten bereits verwendet – bei Quantencomputern noch nicht.

Halbleiterbasierte Nanostrukturen können auch als Quellen von Quanteninformation (Qbits) genutzt werden – eine Aufgabe, die sie hervorragend erfüllen. Aber Quanteninformation muss auch gespeichert werden, zum Beispiel im Spin eines einzelnen Elektrons – und die Funktion erfüllen halbleiterbasierte Nanostrukturen sehr bescheiden.

Denn: „Die Quanteninformation ist sehr kurzlebig, was durch Wechselwirkungen der Elektronen und dem Rauschen von Atomkernen verursacht wird“, erklärt Univ.-Prof. Armando Rastelli, der an der JKU die Abteilung für Halbleiterphysik leitet.

JKU Reinraum im LIT Open Innovation Center ermöglicht Fortschritt
Unkonventionelle und elektrisch steuerbare Nanostrukturen haben nun zu einem Erfolg geführt: Anders als bei bisherigen Versuchen wurden einzelne Elektronenspins als Quanteninformation in spannungsfreien Nanostrukturen aus Gallium-Arsenid festgesetzt. Diese Proben wurden im Reinraum der JKU hergestellt.

Das Ergebnis: Die Speicherdauer der Quanteninformation (Qbits) wurde um den Faktor 100 verlängert! In absoluten Zahlen zeigt sich, dass die Anwendbarkeit noch in weiter Ferne liegt: Die Information wurde lediglich 0,1 Millisekunden gespeichert. „Mein Team mit Santanu Manna, Saimon Covre da Silva und Christian Schimpf hat aber gezeigt, dass bei richtiger Materialwahl und Vorgehensweise Halbleiter-Nanostrukturen durchaus Potenzial aufweisen“, so Rastelli.

Die Versuche wurden gemeinsam mit Wissenschaftler*innen der Universitäten Cambridge, Oxford und Sheffield umgesetzt und nun in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ unter dem Titel „Ideal refocusing of an optically active spin qubit under strong hyperfine interactions“ veröffentlicht.

Diese Forschungsrichtung ist vielsprechend, meint Rastelli. Mit derselben Materialwahl wurde bereits 2018 an der JKU der weltweit höchste Verschränkungsgrad für Photonenpaare aus Halbleiter-Nanostrukturen erzielt und 2021 bereits praktisch für Quantenkryptographie erfolgreich eingesetzt.