Kopplung von Quantendots mit Supraleitern - langreichweitige Kopplung von Quantenbits

• Antragsteller: Professor Dr. Joachim Knoch; Professor Dr. Thomas Schäpers
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 387743155

Die Kopplung von Spin-Qubits in Quantendots über eine größere Distanz ist eine der verbliebenen Herausforderungen für eine Realisierung von hochskalierten Quantencomputer Systemen. Bis dato konnte nur die Kopplung benachbarter Quantendots mit Hilfe von elektrostatischen Kontrollgates demonstriert werden. Das Ziel des vorliegenden Projektes ist die Untersuchung der Realisierung von langreichweitiger Kopplung von Quantendot-Spin-Qubits mit Hilfe von supraleitenden Elektroden. Da dieser Ansatz bisher wenig erforscht ist, werden hier vornehmlich grundlegende Fragen bezüglich der Machbarkeit des Konzeptes adressiert. Zwei verschiedene Mechanismen der Kopplung werden im vorliegenden Projekt eingesetzt: Erstens, die Kopplung mittels des virtuellen Austausches eines Elektrons zwischen zwei Quantendots über eine supraleitende Brücke durch die Anregung von Quasiteilchen oberhalb der Energielücke des Supraleiters. Wie in einer vor kurzem erschienenen Veröffentlichung gezeigt, ermöglichen eine sogenannte harte supraleitende Energielücke und eine moderate Kopplung zu den Quantendots eine Kopplung über Distanzen, die größer sind als die Kohärenzlänge des Supraleiters. Als zweite Methode der Kopplung soll die crossed Andreev reflection untersucht werden. Dabei tunnelt je ein Elektron aus den beiden gekoppelten Quantendots in den Supraleiter und formt dort ein Cooperpaar bevor die Elektronen zurücktunneln. In diesem Fall ist die erwartete Länge der Kopplung von gleicher Größenordnung wie die Kohärenzlänge des Supraleiters.Im vorliegenden Projekt wird die Kopplung von Quantendots experimentell sowohl in III-V Verbindungshalbleitern als auch in Silizium untersucht. Der auf III-V Halbleitern basierende Ansatz erlaubt mit Hilfe einer in-situ Prozessierung den Bereich der Kopplung von sehr stark bis schwach zu realisieren. Dadurch sind Untersuchungen zur Kopplung sowohl über angeregte Quasiteilchen als auch über crossed Andreev reflection möglich. Der auf Silizium basierende Ansatz andererseits ermöglicht die Untersuchung der langreichweitigen Kopplung mittels eines Supraleiters im ausgereiftesten Materialsystem, welches seit kurzem für Qubit-Schaltungen wieder große und steigende wissenschaftliche Beachtung findet. Eine erfolgreiche Demonstration einer Kopplung von Quantendots über größere Distanzen wäre ein großer Schritt vorwärts in Richtung der Realisierung langreichweitiger Kopplung von Qubits und damit von hochskalierbaren Quanteninformations-Prozessoren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen