Verschränkte Teilchen – also solche mit Quantenzuständen, die unabhängig vom Abstand zwischen ihnen korreliert bleiben – sind für viele Quantentechnologien wichtig. Geräte namens Cooper-Paar-Splitter können im Prinzip solche verschlungenen Teilchen erzeugen, indem sie die Elektronen trennen, die sich in supraleitenden Materialien paaren. Der Prozess wurde jedoch als zu zufällig und unkontrollierbar angesehen, um von praktischem Nutzen zu sein.
Physiker bei Aalto-Universität in Finnland haben nun einen theoretischen Vorschlag vorgelegt, der darauf hindeutet, dass diese Elektronenpaare tatsächlich bei Bedarf gespalten werden könnten, indem zeitabhängige Spannungen an Quantenpunkte angelegt werden, die auf beiden Seiten eines supraleitenden Streifens platziert sind. Die Technik, die den verschränkten Zustand der getrennten Elektronen bewahrt, könnte die Entwicklung von Quantencomputern unterstützen, die verschränkte Elektronen als Quantenbits (Qubits) verwenden.
Wenn ein herkömmliches supraleitendes Material auf sehr niedrige Temperaturen abgekühlt wird, überwinden die darin enthaltenen Elektronen ihre gegenseitige Abstoßung und paaren sich. Diese sogenannten Cooper-Paare breiten sich widerstandslos durch das Material aus. Die gepaarten Elektronen sind von Natur aus verschränkt und weisen in entgegengesetzte Richtungen gerichtete Spins auf. Das Extrahieren und Trennen dieser Elektronenpaare unter Beibehaltung ihrer Verschränkung wäre für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich Quantencomputing, nützlich, aber dies ist keine leichte Aufgabe.
In der neuesten Arbeit, die detailliert beschrieben wird Körperliche Überprüfung B., Physiker unter der Leitung von Theoretikern Christian Flindt schlagen eine neue Möglichkeit vor, einen Cooper-Paar-Splitter zu betreiben. Ihr Design besteht aus einem supraleitenden Streifen, der zwei Elektroden enthält und mit zwei Quantenpunkten (nanogroßen Stücken halbleitenden Materials) auf beiden Seiten des Streifens gekoppelt ist. Wenn eine Spannung an die Elektroden angelegt wird, werden Cooper-gepaarte Elektronen innerhalb des Supraleiters zur Spitze des supraleitenden Streifens gezogen und getrennt, wobei jeder Quantenpunkt jeweils ein getrenntes Elektron aufnimmt. Diese abgetrennten Elektronen können dann über einen Nanodraht weitergeleitet werden.
Zeitabhängige Spannungen
Der Schlüssel zum Aufbau des Teams besteht darin, dass die an die Elektrode auf einer Seite des Streifens angelegte Spannung zeitlich so variiert, dass bei jeder periodischen Schwingung genau zwei Cooper-Paare gespalten und ausgestoßen werden. „In bisherigen Experimenten wurden die angelegten Spannungen konstant gehalten“, erklärt Flindt. „In unserem Vorschlag zeigen wir, wie die Aufspaltung von Cooper-Paaren durch zeitabhängige Spannungen gesteuert werden kann, die an das Gerät angelegt werden.“
Neues Gerät verschränkt freie Elektronen mit Photonen
Basierend auf ihren Berechnungen schätzen Flindt und Kollegen, dass ihr Cooper-Paar-Splitter verschränkte Elektronen mit einer Frequenz im Gigahertz-Bereich trennen könnte. Die meisten modernen Computer arbeiten mit Taktzyklen in diesem Bereich, und für viele Quantentechnologien ist es wichtig, über eine ähnlich schnelle Quelle verschränkter Teilchen zu verfügen. Tatsächlich könnte die Kombination mehrerer Splitter dazu beitragen, die Grundlage für einen Quantencomputer zu bilden, der mit verschränkten Elektronen arbeitet, sagt das Team.
Experimentatoren eingeladen, „den Staffelstab zu übernehmen“
Die Aalto-Physiker beschlossen, ihre Studie durchzuführen, weil sie erkannten, dass die Aufspaltung von Cooper-Paaren kontrolliert werden musste. Ihre größte Herausforderung bestand darin, herauszufinden, wie man die Spannungen zeitlich so variieren kann, dass die Cooper-Paare bei Bedarf aufgeteilt werden. Für die Zukunft denken sie, dass es möglich sein sollte, ihren Vorschlag experimentell umzusetzen, und hoffen, dass Experimentatoren „den Staffelstab übernehmen“.
„Es wäre auch interessant zu untersuchen, wie unser bedarfsgesteuerter Cooper-Paar-Splitter in einen größeren quantenelektronischen Schaltkreis integriert werden kann, um die Quanteninformationsverarbeitung zu entwickeln“, sagt Flindt Physik-Welt.
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/controllable-cooper-pair-splitter-could-separate-entangled-electrons-on-demand/
