Realisierung eines Quantencomputers mit Elektronen auf flüssigem Helium

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Jürgen Klier
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2001 bis 2007
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5322225

Gegenstand des Projekts ist die Realisierung und das Verständnis einer kontrollierbaren Verknüpfung von wechselwirkenden Quantenbits (Qubits) mit Hilfe von Elektronen, die auf einem mikrometerdicken flüssigen Heliumfilm lokalisiert sind. Elektronen können oberhalb einer Heliumoberfläche, ähnlich wie im Wasserstoffatom, in quantenmechanische Zustände gebunden werden. Das somit entstandene zwei-dimensionale Elektronengas hat sich schon seit Jahrzehnten als Modellsystem etabliert; einerseits ist es ein sehr einfaches System mit extrem hoher Beweglichkeit, andererseits sind die Wechselwirkungen mit der Umgebung wohlbekannt. Diese Eigenschaften führen dazu, dass 1999 Platzman und Dykman die Möglichkeit eines Quantencomputers mit Elektronen auf Helium vorgeschlagen haben. Die experimentelle Realisierbarkeit dieses Vorschlages ist Hauptziel unseres Projektes. Der charakteristische Elektronenabstand in diesem System beträgt Mikrometer. Die Qubits entstehen durch die laterale Einschränkung der Elektronen oberhalb µm-großer Metallelektroden (µ-dots) unterhalb der Heliumoberfläche. Die einzelnen Elektronen können in eine Superposition ihres Grund- und angeregten Zustandes der quantisierten Bewegung senkrecht zur Oberfläche gebracht werden. Diese Superposition wird durch Einstrahlung von Mikrowellen im Bereich von 120 GHz ausgelöst. Jedes Elektron kann durch das elektrische Feld an den einzelnen µ-dots stark verschoben werden, und somit werden die zu adressierenden Elektronen in Resonanz zur Mikrowellenstrahlung gebracht. In gleicher Weise kann durch einstellbares resonantes Koppeln der Elektronen untereinander ein kohärenter Austausch erfolgen. Für die charakteristische Schaltzeit der resonanten Anregung und des kohärenten Elektronen-Energieaustausches wurden 10-9 s, für die charakteristische Dekohärenzzeit, bei 20 mK, jedoch 10-4 s berechnet. Der Zustand der Elektronen wird dadurch ausgelesen, dass gezielte Spannungspulse an den µ-dots angelegt werden, um somit nur die angeregten Elektronen von der Heliumoberfläche entweichen zu lassen und zu detektieren. Ein einzigartiges System zur Verwirklichung eines großen analogen Quantencomputers sollte damit möglich sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Dr. Annemarie Valkering