Quantencomputer: Neuartiger Prozess zur Strukturierung von Quantenmaterialien

Jülich, 29. Juli 2019 – Wenn man Quantenmaterialien in Computerchips implementiert, ermöglicht dies den Zugang zu grundlegend neuen Technologien. Um leistungsfähige und fehlerresistente Quantencomputer zu bauen, kann man beispielsweise topologische Isolatoren mit Supraleitern kombinieren. Dieser Prozessschritt ist mit einigen Herausforderungen verbunden, die nun von Forschern aus Jülich gelöst wurden. Ihre Ergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift “Nature Nanotechnology” vorgestellt.

Schon die alten Inka nutzten bei ihrer antiken Schrift „Quipu“ Knoten in Kordeln, um Informationen zu kodieren und zu speichern. Der Vorteil: Anders als Tinte auf einem Blatt Papier ist die Information, die in den Knoten gespeichert ist, robust gegen äußere zerstörerische Einflüsse, wie zum Beispiel Wasser. Auch neuartige Quantencomputer sollen Informationen robust in Form von Knoten speichern können. Dafür wird allerdings keine Kordel verknotet, sondern sogenannte Quasiteilchen in Raum und Zeit.

Was man dafür braucht, um solch eine Quanten-Knoten-Maschine zu bauen, sind neue Materialien, sogenannte Quantenmaterialien. Experten sprechen von topologischen Isolatoren und Supraleitern. Die Verarbeitung dieser Materialien zu Bauteilen für Quantencomputer ist dabei eine Herausforderung an sich; vor allem, weil topologische Isolatoren sehr luftempfindlich sind.

Wissenschaftler in Jülich haben nun einen neuartigen Prozess entwickelt, der es ermöglicht, Quantenmaterialien zu strukturieren, ohne dass diese während der Prozessierung der Luft ausgesetzt werden. Der sogenannte „Jülich Prozess“ erlaubt es dabei, Supraleiter und topologische Isolatoren im Ultrahochvakuum zu kombinieren und so komplexe Bauteile zu fertigen.

Erste Messungen in ihren Proben zeigen Hinweise auf Majorana-Zustände. “Majoranas” sind exakt die verheißungsvollen Quasiteilchen, die in den gezeigten Netzwerken aus topologischen Isolatoren und Supraleitern verknotet werden sollen, um robustes Quantencomputing zu ermöglichen. In einem nächsten Schritt werden die Forscher des Peter-Grünberg-Instituts, zusammen mit ihren Kollegen aus Aachen, den Niederlanden und China, ihre Netzwerke mit Auslese- und Steuerelektronik versehen, um die Quantenmaterialien für die Anwendung zugänglich zu machen.

Strukturierung von Quantenmaterialiena) Rasterelektronenmikroskopaufnahme während des „Jülich Prozesses“: Zu sehen ist ein Chip während der Fabrikation. Der topologische Isolator (rot eingefärbt) wurde bereits selektiv abgeschieden. In einem nächsten Fabrikationsschritt wird der Supraleiter via Schattenmaskenabscheidung aufgebracht. In schwarz-weiß sind verschiedene Maskensysteme erkennbar, die es ermöglichen die gewünschten Bauteile vollständig im Ultrahochvakuum zu fertigen. b) In solchen Netzwerken will man zukünftig versuchen s.g. Majorana Moden (dargestellt als Sterne) entlang der topologischen Leiterbahnen zu verschieben um so topologisch geschützte Quantenrechenoperationen zu ermöglichen. Während die blaue und violette Majorana Mode an der gleichen Position (x,y) im Raum bleibt, drehen sich die grüne und die weiße Mode im Laufe der Zeit umeinander herum und bilden so einen Knoten in der Raumzeit aus.
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Peter Schüffelgen

 

Weitere Informationen: https://www.fz-juelich.de

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