Physiker enthüllen die Kondensation von flüssigem Licht in atomdicken Halbleitern

Die Idee, Quantencomputer zu schaffen, hat Forscher und Experten in Computerunternehmen seit langem in ihren Bann gezogen. Sie sind die leistungsstärksten Computer, die nach den Gesetzen der Quantenwelt arbeiten und viele Probleme effizienter lösen können als die produktivsten klassischen Supercomputer. Ähnliche Entwicklungen sind beispielsweise bei Google und IBM im Gange. Viele solcher Projekte erfordern jedoch die Verwendung von Kryostaten. Dies sind Gefäße, die flüssigen Stickstoff oder komprimiertes Helium enthalten, in denen Quantenprozessoren auf Temperaturen unter -270 ° C abgekühlt werden. Eine derart niedrige Temperatur ist erforderlich, um den Effekt der Supraleitung aufrechtzuerhalten, der für die Funktion von Quantencomputern erforderlich ist.

Die Entwicklungen von Alexey Kavokin und seine Kollegen sind mit der Schaffung einer Polaritonenplattform für das Quantencomputing verbunden. Einer seiner Hauptvorteile ist die Fähigkeit, Quantenberechnungen bei Raumtemperatur durchzuführen. Der Polaritonenlaser wurde von Alexey Kavokin und seinen Kollegen entdeckt. Es arbeitet nach dem Prinzip der Bose-Einstein-Kondensation von Polaritonen von Exzitonen bei Raumtemperatur und ermöglicht die Erzeugung von Qubits – den Bausteinen von Quantencomputern. Qubits treten mit der Methode der Laserbestrahlung von künstlichen Halbleiterstrukturen – Mikrokavitäten – auf.

In der neuen Studie konnten Forscher erstmals experimentell beobachten, wie sich im dünnsten Halbleiter der Welt – dem atomar dünnen Kristall aus Molybdändiselenid (MoSe2) – ein Bose-Einstein-Kondensat bildet. Das Bosonische Kondensat enthält Zehntausende von Quanten „flüssigen Lichts“, dessen genauer Name Exzitonenpolaritonen ist. Diese Partikel haben die Eigenschaften von Lichtpartikeln und gewöhnlichem Material und können als Informationsträger verwendet werden. Dies bedeutet, dass anstelle von Elektronen elektrisch neutrales flüssiges Licht durch die Mikrokreise jedes elektronischen Geräts gelangen kann. Polariton-Geräte ermöglichen die Verarbeitung immenser Datenströme mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit.

An der Studie nahmen Physiker teil von: der Universität Würzburg (Deutschland); die Universität von Kalifornien in Merced (USA); Westlake University in China; Arizona State University (Vereinigte Staaten); Nationales Institut für Materialwissenschaft (Japan); und Universität St. Petersburg (Russland).

„Das Bose-Einstein-Kondensat wurde in einer Halbleitermikrokavität erhalten, die eine Schicht aus einem neuen kristallinen Material enthält – einem atomar dünnen Kristall aus MoSe2. Die Lokalisierung von Licht in einer so dünnen Schicht wurde zum ersten Mal erreicht “, sagte Professor Alexey Kavokin über die Entdeckung. „Diese Forschung könnte zur Erfindung neuer Lasertypen führen, die auf zweidimensionalen Kristallen basieren und die Erzeugung von Qubits ermöglichen – Quantentransistoren, die das Herzstück eines Quantencomputers bilden, der mit flüssigem Licht betrieben wird.“

Wie Alexey Kavokin wiederholt betont hat, ist es wichtig zu verstehen, dass Quantencomputer heute als Atombombe des 21. Jahrhunderts bezeichnet werden. In der Tat eröffnen sie enorme Möglichkeiten nicht nur im Bereich der Schaffung neuer Medikamente, sondern auch im Bereich der Cyber-Angriffe. Mit einem so leistungsstarken Computer ist es möglich, fast jeden Code zu knacken. Daher stehen Wissenschaftler heute auch beim Schutz von Quantengeräten vor einer großen Herausforderung: der Quantenkryptographie. Hier sind auch die Erkenntnisse von Alexey Kavokin und seinen Kollegen von großer Bedeutung.

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Die Studie wurde gefördert durch: Deutsche Forschungsgemeinschaft; der Europäische Forschungsrat (CER); die Deutsche Stiftung für Universitätsstipendien Studienstiftung; Westlake University in China; Universität Sankt Petersburg (Russland); und andere wissenschaftliche Einrichtungen.

Als Referenz

Derzeit leitet Alexey Kavokin: die Spin Optics Laboratory der Universität Sankt Petersburg;; die Quantenpolaritonik-Gruppe am russischen Quantenzentrum; und das Internationale Zentrum für Polaritonik an der Westlake University in China. Er ist außerdem Professor an der University of Southampton (Großbritannien), wo er den Lehrstuhl für Nanophysik und Photonik innehat. 2011 erhielt er ein Mega-Stipendium der Regierung der Russischen Föderation, in der das Uraltsev Spin Optical Laboratory eingerichtet wurde.

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