Quantendurchbruch Stromfluss an der Kante verbessert Quantencomputer

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Kölner Forscher melden neuen Erfolg bei Quantenmaterialien, der die Basis für Fortschritte bei der topologischen Supraleitung und der robusten Codierung für Quantencomputer schaffen könnte.

Experimentalphysiker der Universität zu Köln haben gezeigt, dass es möglich ist, in speziellen Materialien supraleitende Effekte zu erzeugen, bei denen der Strom nur an den Außenkanten fließt. Das eröffne neue Möglichkeiten für die Erforschung fortgeschrittener Quantenzustände, die für die Entwicklung stabilerer und effizienterer Quantencomputer entscheidend sein könnten, wie die Experten glauben.

Majorana-Fermionen sind die neue „Würze“ der Supraleitung

Das Phänomen der Supraleitung bezeichnet bekanntlich die verlustfreie Leitung von Strom in bestimmten Materialien. Der anomale Quanten-Hall-Effekt bewirkt aber ebenfalls eine widerstandsfreie Stromeitung – allerdings mit der Besonderheit, dass die Elektronen nur an den Rändern, nicht aber im Inneren des Materials in Bewegung sind. Theoretisch könnten Supraleiter in Kombination mit dem anomalen Quanten-Hall-Effekt sogenannte Majorana-Fermionen erzeugen, die in topologischen Supraleitern in einer geschützten Weise vorkommen, wie die Kölner erklären. Diese Teilchen könnten zukünftige Systeme wie Quantencomputer revolutionieren. Eine solche Kombination lässt sich etwa erreichen, indem man die Supraleitung im Randbereich eines anomalen Quanten-Hall-Isolators induziert, der bereits widerstandsfrei ist. Der daraus resultierende chirale Majorana-Kantenzustand – eine spezielle Art von Majorana-Fermionen – ist entscheidend für die Erzeugung topologisch geschützter, sogenannter „fliegender Qubits” (oder Quantenbits). Chiral bedeutet, das Atome oder Atomgruppen dabei um ein oder mehrere atomare Zentren angeordnet sind – etwa um ein Kohlenstoffatom, das vier Bindungsmöglichkeiten für andere Atome oder Moleküle bietet.

Kölner Forscher schaffen, woran viele vorher gescheitert sind

Die Kölner haben nach eigenen Angaben dünne Schichten des anomalen Quanten-Hall-Isolators verwendet, die mit einer supraleitenden Niob-Elektrode kontaktiert wurden. Damit wurde versucht, an den Rändern chirale Majorana-Zustände zu induzieren. Nach fünf Jahren Arbeit hat man dieses Ziel endlich erreicht, freuen sich die Forscher. Wenn man über eine Zuleitung ein Elektron in das Isolatormaterial injizieren, reflektiert es in einer anderen Zuleitung ein Elektron in einem Lochzustand – also im Prinzip ein Phantom eines entgegengesetzt geladenen Elektrons. Dieses Phänomen wird als gekreuzte Andreev-Reflexion bezeichnet und ermöglicht es, die induzierte Supraleitung im topologischen Randzustand nachzuweisen. Seit der Entdeckung des anomalen Quanten-Hall-Effekts vor rund 10 Jahren hätten sich viele an diesem Experiment versucht, aber niemandem sei es gelungen – bis jetzt! Der Schlüssel zum Erfolg der Kölner liege darin, dass das Wachsen dünner Schichten des anomalen Quanten-Hall-Isolators, alle Schritte der Herstellung der Bauelemente sowie die Messungen bei extrem niedrigen Temperaturen im selben Labor durchgeführt werden könnten, was nicht überall möglich sei.

Wie sooft geht weniger, ohne die Expertise von Partnern

Um diese Ergebnisse zu erzielen, hat die Forschungsgruppe der Universität zu Köln mit Experten der KU Leuven, der Universität Basel und des Forschungszentrums Jülich zusammengearbeitet, wie man erfährt. Die Jülicher trugen, wie es weiter heißt, dabei zu den theoretischen Analysen im Rahmen des gemeinsamen Exzellenzclusters Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q) bei. Das Exzellenzcluster hat nach Aussage der Kölner entscheidend unterstützt, den für diesen Durchbruch erforderlichen Kooperationsrahmen und die Ressourcen bereitzustellen. Diese Entdeckung eröffnet nun viele Möglichkeiten für die künftige Forschung in diese Richtung.

Neue Chance für robustere und skalierbare Quantencomputer

Die nächsten Schritte betreffen nun Experimente, um das Auftreten chiraler Majorana-Fermionen eindeutig zu bestätigen und ihre außergewöhnlichen Eigenschaften zu klären, wie die Forscher wissen lassen. Das Verständnis und die Nutzung der topologischen Supraleitung und der chiralen Majorana-Kantenzustände seien nicht zuletzt wesentlich für die Entwicklung stabiler Qubits, die weniger anfällig für Dekohärenz und Informationsverlust sind. Das könnte die Quanteninformatik revolutionieren. Die in dieser Studie vorgestellte Plattform bietet dafür vielversprechende Möglichkeiten, die zu robusteren und skalierbaren Quantencomputern führen könnten.

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