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Quantum Transport wird ballistisch

IBM-Wissenschaftler Johannes Gooth konzentriert sich auf Nanoelektronik und Quanten Physik.

Heute in der Fachzeitschrift Nano Letters veröffentlicht, haben IBM-Wissenschaftler erstmals ein Elektron durch einen auf Silizium integrierten III-V-Halbleiter-Nanodraht geschossen. Diese Errungenschaft wird die Grundlage für hochentwickelte Quantendrahtbauelemente für zukünftige integrierte Schaltkreise bilden, die in fortschrittlichen leistungsstarken Rechensystemen verwendet werden.

IBM-Wissenschaftler und Hauptautor des Artikels Dr. Johannes Gooth erklärt den Artikel in diesem Q&A.

Der Titel Ihres Artikels lautet Ballistische eindimensionale InAs-Nanodraht-Cross-Junction-Verbindungen. Wenn ich „ballistisch“ lese, fallen mir ziemlich große Raketen ein, aber hier tun Sie dies auf der Nanoskala. Können Sie über die Herausforderungen sprechen, die sich daraus ergeben?

Johannes Gooth (JG): Ja, das ist sehr ähnlich, aber natürlich in einem ganz anderen Maßstab. Elektronen werden von einer Kontaktelektrode abgefeuert und fliegen durch den Nanodraht, ohne gestreut zu werden, bis sie auf die gegenüberliegende Elektrode treffen. Der Nanodraht fungiert als perfekter Leitfaden für Elektronen, sodass die vollständige Quanteninformation dieses Elektrons (Energie, Impuls, Spin) ohne Verluste übertragen werden kann.

Dies können wir jetzt in Cross-Junctions tun, wodurch wir Elektronenröhrennetzwerke aufbauen können, in denen Quanteninformationen perfekt übertragen werden können. Die Herausforderung besteht darin, ein geometrisch sehr gut definiertes Material ohne Streuer im Nanomaßstab herzustellen. Der Schablonen-unterstützte selektive Epitaxie- oder TASE-Prozess, der hier im IBM Zürich Lab von meinen Kollegen entwickelt wurde, macht dies erstmals möglich.

Wie vergleicht sich diese Forschung mit anderen Aktivitäten, die anderswo durchgeführt werden?

JG: Am wichtigsten ist, dass die Technik im Vergleich zu optischen und supraleitenden Quantenanwendungen skalierbar und mit Standardelektronik- und CMOS-Prozessen kompatibel ist.

Welche Rolle sehen Sie für den Quantentransport beim Bau eines universellen Quantencomputers?

JG: Ich sehe den Quantentransport als ein wesentliches Element an. Wenn Sie die volle Leistungsfähigkeit der Quanteninformationstechnologie ausüben möchten, müssen Sie alles ballistische verbinden:Ein vollständig ballistisch (quanten) verbundenes Quantensystem hat einen exponentiell größeren rechnerischen Zustandsraum im Vergleich zu klassisch verbundenen Systemen.

Außerdem ist die Elektronik, wie oben erwähnt, skalierbar. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination unserer Nanodrahtstrukturen mit Supraleitern topologisch geschütztes Quantencomputing, das fehlertolerante Berechnungen ermöglicht. Dies sind große Vorteile im Vergleich zu anderen Techniken.

Wie einfach kann dies mit bestehenden Verfahren hergestellt werden und was ist der nächste Schritt?

JG: Dies ist ein großer Vorteil unserer Technik, da unsere Geräte vollständig in bestehende CMOS-Prozesse und -Technologien integriert sind.

Was kommt als nächstes für Ihre Forschung?

JG: Die nächsten Schritte werden die Funktionalisierung der Kreuze sein, indem elektronische Quantencomputerteile angebracht werden. Wir werden mit dem Bau von supraleitenden/Nanodraht-Hybridgeräten für das Majorana-Geflecht beginnen und Quantenpunkte anbringen.

Universal-Quantencomputer, wir kommen.


Ballistische eindimensionale InAs-Nanodraht-Cross-Junction-Verbindungen, Johannes Gooth, Mattias Borg, Heinz Schmid, Vanessa Schaller, Stephan Wirths, Kirsten E. Moselund, Mathieu Luisier, Siegfried Karg und Heike Riel, Nano Letters, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00400, Veröffentlichungsdatum (Web):23. März 2017

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