Der Ein-Atom Transistor

Physiker in Innsbruck und Oxford haben eine Methode erfunden  
um ein einzelnes Atom als Transistor zu verwenden

Der Ein-Atom Transistor kann Ströme von neutralen Atomen in durch Licht erzeugten Leitungen steuern. Er ist ein Quantenschalter in dem sich das Atom gleichzeitig in zwei verschiedenen Zuständen befinden kann. Der eine Zustand ist so konstruiert, dass er den Fluss anderer Atome blockiert (aus) und der andere so, dass er diesem Atomstrom gegenüber durchlässig ist (ein). Die Fähigkeit des Ein-Atom Transistors simultan in beiden Zuständen zu existieren, macht ihn zu einem potentiellen Bauteil für die Konstruktion eines Quantencomputers.

Die Innsbrucker Physiker Andrea Micheli, Andrew Daley und Prof. Peter Zoller vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) erforschen in Zusammenarbeit mit Dr. Dieter Jaksch, Lecturer an der Universität Oxford, die Eigenschaften des Ein-Atom Transistors und entwickeln Methoden, um diesen mittels bereits existierender Technologien im Labor herzustellen. Diese Arbeit umfasst insbesondere die Modellierung der Quantendynamik des atomaren Stromes und die Überprüfung der Robustheit des Transistors unter realistischen experimentellen Bedingungen, welche mit neuesten Computer-Simulations Methoden durchgeführt wurden.

Durch diese Rechnungen fanden die Physiker heraus, dass der Ein-Atom Transistor experimentell in optischen Gittern realisiert werden kann. Solche Gitter werden von stehenden Wellen aus Laserlicht geformt und üben Kräfte auf neutrale Atome aus. Sie können verwendet werden um Atome an bestimmten Plätzen zu fangen oder als Leitungen dienen, die einen Fluss von Atomen in bestimmte Richtungen steuern. In Europa gibt es bereits einige Experimente mit optischen Gittern welche sich zur Realisierung des Ein-Atom Transistor eignen und weitere sind in Planung.

Der Ein-Atom Transistor könnte in atomaren Quantennetzwerken eine ähnlich grosse Rolle spielen wie der Halbleitertransistor in der Elektronik. Er kann Quantenatomströme kontrollieren und erlaubt Messungen an Qubits (das ist die kleinste Quanteninformationseinheit). Wichtig ist dabei, dass atomare Stromkreise Quantenparallelismus (das ist die Möglichkeit sich zu jedem Zeitpunkt in mehr als einem Zustand zu befinden) erlauben, welcher für Quantenrechneranwendungen notwendig ist. Im Besonderen ist Quantenparallelismus die Basis für effiziente Quantenalgorithmen wie zum Beispiel Shors Algorithmus zur Faktorisierung von grossen Zahlen. Auch Quantensimulatoren, die zur Modellierung von komplizierten Systemen aus verschiedenen Bereichen der Physik dienen wie zum Beispiel Hochtemperatursupraleitern, beruhen auf diesem Prinzip.

Die detailierte Beschreibung des Ein-Atom Transistors wird diese Woche im angesehenen Journal Physical Review Letters der American Physical Society publiziert.

Die Arbeit in Innsbruck wurde gemeinsam vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (1) und dem Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck (2) als Teil des Spezialforschungsbereiches für die Kontrolle und Messung von kohärenten Quantensystemen durchgeführt und von der Austrian Science Foundation (FWF), EU Netzwerken und dem Institute for Quantum Information gefördert. Die Arbeit von Dieter Jaksch an der University of Oxford (3) wurde vom EPSRC IRC für Quantum Information Processing unterstützt.

(1) Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften,
Technikerstr. 25, A-6020 Innsbruck, Austria
(2) Institut für Theoretische Physik, Universität Innsbruck, Technikerstr. 25, A-6020 Innsbruck, Austria
(3) Clarendon Laboratory, University of Oxford, Parks Road, Oxford OX1 3PU, United Kingdom

Kontakt:
o.Univ.Prof. Peter Zoller
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation
der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
Technikerstraße 25, 6020 Innsbruck
T +43 512 507 6203
F +43 512 507 2919
peter.zoller@oeaw.ac.at
http://www.oeaw.ac.at/quanten/


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