Wechselwirkung zwischen zweidimensionalen Elektronengasen und selbstorganisierten Quantenpunkten

Die Idee des Quantencomputers begeistert Wissenschaftler verschiedenster Fachgebiete. Bestimmte Probleme, wie die Faktorisierung großer Zahlen, die Suche in Datenbanken oder Simulationen beipielsweise auf dem Gebiet der Quantenchemie können von Quantencomputern wesentlich effizienter gelöst werden als von konventionellen Computersystemen. Das konventionelle Bit, das nur die Zustände ”Null“ und ”Eins“ annehmen kann, wird im Quantencomputer durch das Qubit abgelöst, das nicht nur seine Eigenzustände |0> und |1>, sondern auch alle möglichen Superpositionen seiner Eigenzustände annehmen kann. Durch das Superpositionspronzip und das Phänomen der Verschränkung von Zuständen unterscheidet sich das Qubit fundamental vom konventionellen Bit. Qubits können grundsätzlich mit jedem quantenmechanischen Zweiniveausystem realisiert werden. Verschiedene Konzepte wie Ionen in Ionenfallen, Kernspinresonanz oder auch supraleitende Systeme wie SQUIDS werden auf ihre Verwendbarkeit für Quantencomputer geprüft. D. P. DiVincenzo hat Kriterien zusammengetragen, die ein Konzept erfüllen muss, um ein geeignetes Qubit-System für Quanteninformationsverarbeitung und Quantenkommunikation darzustellen. Ein nahezu perfekter Kandidat für ein solches Qubit, der viele der DiVincenzo-Kriterien erfüllen kann, ist der Spin des Elektrons mit den Eigenzuständen |up> und |down>. Die Manipulation des Elektronenspins beispielsweise in elektrostatisch definierten Quantenpunkten in einer Halbleitermatrix ist elektronisch sowie optisch inzwischen sehr gut beherrschbar, und mit Halbleiterkristallen von höchster Qualität stehen geeignete Strukturen zur Verfügung, um Qubit-Systeme zu realisieren. Allerdings beschränkt die Verwendung von Elektronenspins als Qubits das System auf einen Chip. Zwar existieren Auslesemechanismen, diese zwingen das Qubit durch das Auslesen allerdings in einen Eigenzustand, welcher nurmehr dem konventionellen Bit entspricht. Das Qubit kann den Halbleiterkristall nicht verlassen. Quantencomputer sind jedoch untrennbar mit der Quantenkommunikation verbunden, welche durch sogenannte flying qubits realisiert werden muss. Hier bieten sich Photonen an, die die Qubit- Information durch ihren Polarisationszustand abbilden können. Die freie Konvertierbarkeit zwischen diesen beiden Systemen ist ebenfalls eines der DiVincenzo-Kriterien. Um also beide Konzepte nutzen zu können, fehlt derzeit noch das entscheidende Element: Die Schnittstelle zwischen chipgebundenen Elektronenspin-Qubits und mobilen Photonen-Qubits. Im Jahr 2006 wurde von H.A. Engel ein Modell für ein "quantenoptisches Interface" vorgeschlagen, das diese Schnittstelle durch die Kopplung zweier Quantenpunkte realisieren soll. Innerhalb des zweidimensionalen Elektronengases wird durch Gateelektroden ein Quantenpunkt elektrostatisch definiert. Aufgrund der Bandstruktur kann dieser ein Einschlusspotential für Elektronen bereitstellen. Durch Anlegen geeigneter Spannungen im mV-Bereich an diese Gates wird ein Elektron, dessen Spin die Qubit-Information tragen kann, in den QD geladen. Um Ladungsstabilität zu gewährleisten, werden solche QDs bei niedrigen Temperaturen T