Stabile Qubits mit topologischen Isolatoren
Robuste Majorana-Fermionen ebnen den Weg zum fehlertoleranten Quantencomputer.
Physikerinnen und Physikern der Universität zu Köln ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum topologischen Quantencomputer gelungen: Sie konnten erstmals die gekreuzte Andreev-Reflexion (Crossed Andreev Reflection – CAR) in Nanodrähten aus topologischen Isolatoren nachweisen. Die Forschenden liefern detaillierte Erkenntnisse über die supraleitenden Effekte in diesen Materialien, die für die Herstellung robuster Quantenbits auf der Grundlage von Majorana-Fermionen in einer Quantenplattform aus topologischen Isolatoren unerlässlich sind.
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Heute sind die verfügbaren Qubits zu instabil und fehleranfällig. Einer der vielversprechendsten Ansätze ist die Verwendung von topologischen Supraleitern, in denen Majorana-Fermionen erzeugt werden können. In der Theorie bieten diese Zustände eine inhärent stabile Grundlage für Quantencomputer, die weniger anfällig für eine Vielzahl von Fehlern sind. Trotz vieler optimistischer Behauptungen bleibt die experimentelle Beobachtung dieser Zustände umstritten. Nun untersuchten Junya Feng und Kollegen unter der Leitung von Yoichi Ando Nanodrähte aus topologischen Isolatoren, die sich in Kombination mit einem konventionellen Supraleiter besser für die topologische Supraleitung eignen als andere Materialien.
Dem Team gelang es, die gekreuzte Andreev-Reflexion nachzuweisen: ein seltener Quanteneffekt, bei dem sich ein an einem Ende eines Nanodrahtes injiziertes Elektron mit einem anderen, weiter entfernten Elektron koppelt und ein supraleitendes Cooper-Paar bildet. Dieser Effekt mit Fernwirkung ist ein überzeugender Beweis für weitreichende supraleitende Korrelationen, die eine Voraussetzung für Majorana-basierte Qubits sind. „In dieser Studie wurde erstmalig untersucht, wie die Andreev-Reflexion in Nanodrähten aus topologischen Isolatoren funktioniert, wenn diese an Supraleiter gekoppelt sind. Dieses Verständnis ist entscheidend für die Erzeugung robuster Majorana-Fermione in der TI-Plattform“, sagt Ando.
„Dieser Durchbruch wurde durch Junya Fengs innovativen Herstellungsansatz ermöglicht: das Ätzen hochwertiger Nanodrähte aus abgeschabten topologischen Isolatorplättchen. Diese Methode ist ideal für Quantenexperimente, da sie wesentlich sauberere Strukturen erzeugt als bisherige Techniken. Dank dieses Fortschritts können wir nun Experimente durchführen, die bisher nur mit herkömmlichen Halbleiter-Nanodrähten möglich waren. Wir haben beschlossen, uns ganz auf diese neue Herstellungsmethode zu konzentrieren, da sie zu einer Reihe von spannenden Ergebnissen geführt hat. Mit dieser Entdeckung kommt das Exzellenzcluster ML4Q der Verwirklichung eines topologischen Qubits einen Schritt näher“, sagt Ando.
Die Fähigkeit, supraleitende Korrelationen in TI-Nanodrähten zuverlässig zu induzieren und zu kontrollieren, ist ein entscheidender Schritt auf dem Weg zur Entwicklung Majorana-basierter Qubits. Der nächste Schritt besteht darin, die Majorana-Fermionen in diesen Systemen zu beobachten und zu kontrollieren – ein wesentlicher Meilenstein auf dem Weg zum fehlertoleranten Quantencomputer.
U. Köln / JOL
