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START-Preisträger 2013
GEORGIOS KATSAROS
LOCH SPIN-QUBITS UND MAJORANA-FERMIONEN IN GERMANIUM
Die Erfindung des Transistors führte zur Entstehung des klassischen Computers in dem alle
schnellen Prozesse Ladungszustände zum Codieren von Informationen nutzen. In den 80er Jahren
erkannte man, dass sich die Rechengeschwindigkeit unter Nutzung der Prinzipien der
Quantenmechanik erhöhen lässt. In einem sogenannten „Quantencomputer“ wird die Information in
einem Quanten-Bit (Qubit), einem quantenmechanischen Zweiniveausystem, kodiert. Ein Beispiel
dafür ist der Spin eines Elektrons, der ein solches Zweiniveausystem bilden kann, da die Spin-up /
Spin-down Konfigurationen unter Einfluss eines Magnetfeldes unterschiedliche Energien aufweisen.
In der Quantenmechanik ist es möglich, gleichzeitig in der Spin-up-und Spin-down Konfiguration zu
sein. Durch die Verwendung dieses „Prinzips der Superposition“ wäre man in der Lage, die
Rechengeschwindigkeit exponentiell zu erhöhen. Die Thematik des Quantencomputers fasziniert
derzeit viele Forscher wodurch verschiedene Systeme als potentielle Qubits erforscht werden. Ein
gravierendes Problem dabei ist allerdings der Verlust der Quanteninformation aufgrund von
Dekohärenz. Dekohärenz bedeutet, dass wenn man ein System in einem bestimmten Zustand
herstellt, es durch Wechselwirkung mit seiner Umgebung unbeabsichtigt einen anderen Zustand
annehmen kann.
Eine Lösung für dieses Problem könnte der topologische Quantencomputer sein, welcher auf Grund
seines Funktionsprinzips nicht für Dekohärenz anffällig ist. Dies wäre der Fall, wenn beispielsweise
die beiden Niveaus eines Qubits immer auf Null-Energie sind - und das unabhängig von
Umwelteinflüssen. An dieser Stelle kommen Majorana-Fermionen ins Spiel - hierbei handelt es
sich um Teilchen, die ihre eigenen Antiteilchen sind. Quantum Bits aus Majorana- Fermionen
könnten benutzt werden, um einen solchen topologischen Quantencomputer zu realisieren.
Das Ziel des geplanten Projektes ist es, solch grundlegende physikalische Prinzipien im
Nanometerbereich anhand von Silizium-kompatiblen Technologien zu studieren. Dies könnte den
direkten Transfer von neuen Konzepten und Ideen in die aktuelle Informationstechnologie
ermöglichen. Wir haben dafür Ge-Nanodrähte ausgewählt, die selbstorganisiert auf Silizium
wachsen. Das Hauptziel dieses Projektes ist es, das Potenzial dieser Nanodrähte für die
Realisierung sowohl von Spin-Qubits, als auch von Majorana-Fermionen zu erforschen. Die
langfristige Vision ist es, diese zwei Arten von "Quanten-Hardware" zu koppeln, was die kohärente
Übertragung von Quanteninformation zwischen ihnen ermöglichen könnte.