Physiker*innen der Universität zu Köln haben einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der Quantencomputing-Technologie erzielt. Sie entdeckten einen supraleitenden Effekt in Nanodrähten aus topologischen Isolatoren. Diese Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlicht und stellen einen wichtigen Schritt in der Entwicklung stabilerer Quantenbits (Qubits) dar. Die Studie trägt den Titel „Long-range crossed Andreev reflection in topological insulator nanowires proximitized by a superconductor“, wie [uni-koeln.de] berichtet.
Der entscheidende Nachweis der gekreuzten Andreev-Reflexion (Crossed Andreev Reflection – CAR) in den Nanodrähten könnte die Basis für zukünftige Quantencomputer legen. Diese Reflexion ist ein Quanteneffekt, bei dem injizierte Elektronen in den Nanodrähten mit anderen Elektronen koppeln und supraleitende Cooper-Paare bilden. In dieser Studie wurde ein innovativer Ansatz zur Herstellung von Nanodrähten entwickelt, der zu saubereren Strukturen führt, was entscheidend für das Induzieren supraleitender Korrelationen in topologischen Isolatoren ist.
Wichtige Ergebnisse und zukünftige Schritte
Unter der Leitung von Dr. Junya Feng und Professor Dr. Yoichi Ando zeigt die Forschung eine vielversprechende Perspektive auf die Verwendung von Majorana-Fermionen zur Entwicklung robuster Quantenbits. Aktuelle Qubit-Technologien sind oft instabil und fehleranfällig, aber die Fähigkeit, spezielle Quantenzustände zu erzeugen, könnte einen Paradigmenwechsel in der Quantencomputing-Technologie einleiten. Der nächste Schritt der Forscher besteht darin, Majorana-Fermionen in diesen Systeme zu beobachten und zu kontrollieren.
Die Zusammenarbeit mit der Universität Basel und der Exzellenzcluster „Materie und Licht für Quanteninformation“ (ML4Q) ist entscheidend. ML4Q wurde 2019 gegründet und vereint Wissenschaftler*innen aus den Universitäten Köln, Aachen, Bonn sowie dem Forschungszentrum Jülich. Ein Hauptziel des Konsortiums ist die Forschung im Bereich des Quantencomputings und die Entwicklung neuartiger Quantenhardware und -software.
Topologische Isolatoren und deren Bedeutung
Topologische Isolatoren (TI) spielen eine zentrale Rolle in der Quantencomputing-Technologie. Sie sind als Grundlage für die Konstruktion stabiler Qubits angedacht, insbesondere durch die Erzeugung von Majorana-Fermionen. Diese speziellen Teilchen könnten in Topologien auftreten, die eine Substanz mit topologischer Supraleitung erzeugen. Nach [pubmed.ncbi.nlm.nih.gov] zeigt die Untersuchung der Transporteigenschaften von Normalmetall/Ferromagnetischem Isolator/Supraleiter-Junctions, dass dabei chiral Majorana-Modi entstehen, die sich stark durch die Richtung der Magnetisierung beeinflussen lassen.
Diese Entdeckungen haben nicht nur praktische Anwendungen, sondern auch tiefere theoretische Implikationen für die Grundlagen der Quantenmechanik. Die Fähigkeit, neue Phasen von Materie zu erzeugen und zu kontrollieren, könnte bahnbrechende Fortschritte in der Quanteninformatik ermöglichen.
Ein aktuelles Beispiel für die praktischen Anwendungen von Majorana-Fermionen und topologischen Isolatoren ist Microsofts Ankündigung von Majorana 1, dem weltweit ersten Quantenprozessor, der auf einer topologischen Kernarchitektur basiert. Laut [azure.microsoft.com] ist Majorana 1 so konzipiert, dass er auf bis zu einer Million Qubits auf einem einzigen Chip skalierbar ist. Diese Technologie könnte dazu führen, dass Quantencomputer in den kommenden Jahren zu einem Standardwerkzeug in der Materialwissenschaft, Landwirtschaft und chemischen Entdeckung werden.
Die derzeitigen Fortschritte im Quantencomputing könnten die Art und Weise verändern, wie wir Informationen verarbeiten, und bedeutende Auswirkungen auf zahlreiche Bereiche der Wissenschaft haben. Der Weg zur Entwicklung von Quantencomputern der nächsten Generation wird somit durch Ergebnisse wie die der Universität zu Köln entscheidend geprägt.
