Quantenmechanik am Limit

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1 Quantenmechanik am Limit Die Jagd nach den letzen Quanten Thomas Ihn Solid State Physics Laboratory Department of Physics

2 Wir alle folgen technologischen Trends...

3 ... aber was ist da eigentlich drin? Computer Motherboard Pentium Prozessor, Intel Pentium (II) Processor, 1997, Intel

4 ... aber was ist da eigentlich drin? Pentium Prozessor, Intel Quarzsand Silizium Einkristall, Wacker Silizium wafer, Wacker Silizium wafer, IBM Transistor, IBM

5 Die Entwicklung der Elektronik verlief rasant... Erster Transistor 1948 Computerchip 2005

6 ...und Visionäre gab es auch. Gordon E. Moore, Mitgründer von Intel Richard P. Feynman Physiker Nobelpreis 1965 The number of transistors per chip doubles within two years (Apr 19, 1965) There is plenty of room at the bottom. (Dec 29, 1959) It seems that the laws of physics present no barrier to reducing the size of computers until bits are the size of atoms and quantum behavior holds sway. (1985)

7 Also machen wir heute Transistoren, die mit einem einzelnen Elektron schalten. 2 cm 2 mm 0.5 mm 50 m

8 Dabei werden winzige Strukturen mit Nanowerkzeugen auf Halbleiteroberflächen geschrieben.

9 Die Linien auf der Oberfläche übertragen sich in ein zweidimensionales Elektronengas unter der Oberfläche. was heisst hier zweidimensional??? graphen ist wirklich 2D

10 Ein Nobelpreis für Graphen! 10 m Andre Geim Konstantin Novoselov Nobelpreis 2010

11 In geeigneten Strukturen können einzelne Elektronen eingesperrt werden... 1 Elektron wird kontrolliert aber im selben Volumen sind 10 Millionen Atome, d.h. 1 Milliarde Elektronen, Protonen und Neutronen WHOW!

12 ...die sich ganz anders als Teilchen verhalten. Erwin Schrödinger, Schulheft Physik (8. Klasse) Vater der Wellenmechanik Lehrstuhl für Theoretische Physik, Uni Zürich, Wir brauchen die Quantenmechanik!

13 ...ist bei kleinen Objekten wichtig... Quantenmechanik......und spielt bei grossen keine Rolle. z.b. bei Atomen z.b. bei einem Pendel

14 Unsere Strukturen sind nicht ganz so klein wie Atome... Quantenmechanik Wärmelehre Kleine Strukturen Grosse Energie Heiss Grosse Energie Grosse Strukturen Kleine Energie kalt Kleine Energie

15 ...darum brauchen wir tiefe Temperaturen. Supraleitende Magnete wie in der Teilchenphysik 10 Millikelvin Wie kalt ist das eigentlich?

16 el. Leitfähigkeit (e 2 /h) Dann beobachten wir, dass der elektrische Widerstand quantisiert ist... ein Quantum Leitfähigkeit elektrische Spannung (V)

17 ...und wir können einzelne Elektronen zählen. Quantisierung der Ladung N=0 N=1 N=2 t on t off N-1 N Histogram

18 Im Alltag haben wir Spannungen von 220 Volt, Ströme von etwa 1 Ampere. Im Labor messen wir Spannungen von Volt (1 nv), Ströme bis hinunter zu Ampere (0.1 aa). 0.1 aa heisst, es fliesst nur ein einziges Elektron pro Sekunde

19 Manchmal verhalten sich Elektronen wie Wellen und überlagern sich. Interferenz von Wasserwellen Interferenz von Elektronen

20 Das berühmte Doppelspalt Experiment Detektor

21 Das berühmte Doppelspalt Experiment 0 1 nur Spalt 0 geöffnet

22 Das berühmte Doppelspalt Experiment 0 1 nur Spalt 1 geöffnet

23 Das berühmte Doppelspalt Experiment 0 1 beide Spalte geöffnet

24 Das berühmte Doppelspalt Experiment 0 1 Nun mit dem Elektronenfussball

25 ... und das sagt ein Nobelpreisträger dazu. Richard Feynman

26 Jetzt schreiten wir zur Tat... Das Konzept die Realisierung

27 ... und machen das Experiment selbst Das Interferenzbild entsteht durch Zählen einzelner Elektronen.

28 Heute können Physiker relativ grosse Objekte interferieren lassen... Neutronen A. Zeilinger (1988) Licht: Photonen C 60 Moleküle A. Zeilinger (1999) Position Elektronen Tanamura (1989)

29 ... und einzelne Photonen mit einzelnen Elektronen "interferieren" lassen Quantendot Photonenresonator T. Frey et al., PRL 108, (2012)

30 Theoretiker sind sogar auf die Idee gekommen......einen Quantencomputer vorzuschlagen. Burkard, Engel, Loss, Fortschr. Phys. 48, 9 (2000)

31 Klassische Computer Information gespeichert in Einheiten von bits: (0) und (1) Vergleich Dezimalsystem - Binärsystem: = = = = =

32 Ein Bit im Quantencomputer Magnetnadel im Kompass Ein Elektron ist auch ein Magnet

33 Aber: das Elektron gehorcht der Das Bit wird zum Qubit. Quantenmechanik 0 oder 1 y = a 0 + b1 Das ist eine recht wilde Sache, die glücklicherweise nur in der Mikrowelt vorkommt

34 Ein Quantencomputer könnte manches besser,..., zum Beispiel, die Faktorisierung von Zahlen Erst mal einfach: 6 = 2 mal 3 oder 15 = 3 mal 5 oder 8071 =? mal? oder wie wär s damit? Ein moderner Computer faktorisiert diese 130-dezimal-Zahl innerhalb Tagesfrist, aber würden wir die Zahl nochmals in der Länge verdoppeln, so bräuchte er Millionen von Jahren. Ein Quantencomputer würde den Job in Minutenschnelle erledigen

35 Aber Vorhersagen über die Zukunft des Quantencomputers sind schwieriger, als die Wettervorhersage.?

36 quantum systems at ETH Zurich photonic crystals Hamilton battery optical lattice quantum dot quantum simulations Superconducting qubits Rydberg atoms molecules F 3 1 F 7 6 C C C C C 5 F Fe 5 H 2 F 4 F CO CO NMR

37

38 Viel Spass mit der Physik... Das Erstaunlichste an der Welt ist, dass man sie verstehen kann.

39 Halbleiterkristalle

40 Entwicklung von Leuchtdioden 1907 Henry Joseph Round SiC Elektrolumineszenz moderne GaAs LEDs Infrarotlicht Ende 1960er GaAsP rote LED Mitte 1970er GaP grün und gelbe LEDs Mitte 1980er GaAlAsP helle grüne LEDs Mitte 1990er GaN und InGaN helle blaue LEDs Ende 1990er weisse LEDs durch fluoreszierenden P Heute: ultraviolett LEDs

41 Neue Speichermedien 0.65 GB 4.7 GB 27 GB (54 GB)

42 Schnelle Computer

43 Kontrolle über einzelne Elektronen E C 1.6 mev Δ 0.3 mev N-1 N N+1 N-1 t on t off 2 μm N Histogram

44 Einzelne Quanten-Bauelemente können zu Quantenschaltkreisen vernetzt werden...

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