Peter Grünberg Kolloquium: Prof. Dr. Menno Veldhorst, QuTech & Kavli Institute of Nanoscience, Delft University of Technology, Niederlande

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Halbleiter-Qubits auf dem Vormarsch: Quantengatter mit geringem Stromverbrauch und hoher Zuverlässigkeit

Loss und DiVincenzo schlugen 1998 vor, dass Quantenpunkte hervorragende Bausteine für einen fehlertoleranten Quantencomputer darstellen. Durch den Einschluss einzelner Elektronen in Quantenpunkten können Qubits über die Spin-Zustände der Elektronen definiert und durch elektrische Signale gesteuert werden. Zwei Jahrzehnte intensiver Forschung an Spin-Qubits in Quantenpunkten haben zu zahlreichen Demonstrationen geführt, die den Nachweis des Prinzips erbracht haben. Eine Realisierung des ursprünglichen Vorschlags blieb jedoch schwer zu erreichen. In ihrem Vorschlag sahen Loss und DiVincenzo vor, dass, wenn die magnetische Ausrichtung zwischen den Quantenpunkten variiert, das Springen eines Elektrons zwischen den beiden Quantenpunkten eine schnelle und effiziente Qubit-Logik ermöglichen würde. In der Praxis war es bisher zu schwierig, solche Variationen in der magnetischen Ausrichtung zu erzeugen. Hier zeigen wir, dass Änderungen der Spin-Quantisierungsachse durch den Einsatz von Spin-Qubits in Germanium realisiert werden können. Dies wird durch die Ausnutzung der starken Spin-Bahn-Wechselwirkung in Germanium erreicht, die Orientierungen hervorrufen kann, die sich um mehrere Dutzend Grad unterscheiden. Darüber hinaus gelingt es uns, ein Elektron zwischen zwei Quantenpunkten springen zu lassen, wobei der Spin über effektive Längenskalen von über einem Millimeter kohärent bleibt. Damit lassen sich Qubit-Treue von bis zu 99,97 % und Zwei-Qubit-Gates von 99,3 % realisieren. Anschließend wenden wir unsere Erkenntnisse auf größere Quantenschaltungen an, um Wege zur fehlertoleranten Quantenberechnung zu erforschen.