Der immer höher steigende Bedarf an Rechenkapazität in den letzten Jahren hat zu einer enormen Entwicklung rund um Quantencomputer geführt, welche neue Anwendungen in Natur- und Ingenieurwissenschaften, Medizin und Finanzwesen ermöglichen können. Zurzeit werden vielfältige Ansätze verfolgt, Quantencomputer zu realisieren, beispielsweise auf der Basis von Supraleitung, Ionenfallen, photonischen Strukturen, Quantenpunkten oder auch der gezielten Ausnutzung von Defektkomplexen/Farbzentren in Halbleitermaterialien.
Silizium hat das Potenzial, die anhaltende Forschung und Entwicklung von Quantencomputern zu beschleunigen. Die hohe Qualität des Ausgangsmaterials ermöglicht bereits sehr rauscharme Qubits. Zudem besteht ein umfangreiches Know-how mit Dotierstoffen und Materialfehlern in der Halbleiterfertigung. Silizium besitzt viele technologische Vorteile, zum Beispiel hohe CMOS-Kompatibilität, auf deren Basis eine hohe Skalierbarkeit möglich wird. Weitere vorteilhafte Eigenschaften sind hohe Kohärenzzeiten (Lebensdauer eines Qubits) und Fehlertoleranz. Sie sind wichtige Kriterien bei der Realisierung quantenbasierter Informationsverarbeitung.
Als Grundbaustein für Silizium-basierte Quantencomputer und -sensoren werden aktuell Farbzentren wie das G- oder T-Zentrum in Silizium verwendet, die aufgrund ihres komplexeren Aufbaus allerdings schwer herzustellen sind. In diesem Vorhaben sollen daher erstmals Indium-basierte Akzeptor-Fehlstellen als leicht zugängliche Quantensysteme realisiert werden. Indium besitzt die Besonderheit, bei kryogenen Temperaturen ein Farbzentrum auf Basis eines einfach geladenen Paarkomplexes auszubilden, wodurch einer der stärksten bekannten Infrarotemitter entsteht. Allerdings ist der gebundene Partner bisher unbekannt und seine Bestimmung damit eine Grundvoraussetzung für eine skalierbare Nutzung als Qubit. Die Indium-basierten Quantensysteme sollen mit Verfahren der Mikrosystemtechnik hergestellt werden und eingebettet in optimierten Photodetektoren elektrisch sowohl steuerbar als auslesbar sein. Der Verständnisgewinn zum Aufbau sowie der Wirkungsweise dieses elementaren Quantenbausteins in diesem Forschungsprojekt kann perspektivisch als Grundlage für eine fortgeführte Integration in moderne Quantencomputer und -sensoren dienen.
Die beschriebenen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden im Forschungsprojekt „Ansteuerung akzeptorbasierte Quantenstruktur in Si“ (aQuSiS) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) gefördert.
FKZ: 49VF250052
