Novel qubits in hybrid semiconductor-superconductor nanostructures

Auf der Suche nach dem Bau eines Computers, der Probleme lösen kann, die außerhalb der Reichweite heutiger Maschinen liegen, arbeiten Wissenschaftler daran, den perfekten Schalter zu erschaffen – eine Informationseinheit namens Qubit. Im Gegensatz zu den einfachen Ein/Aus-Schaltern in Ihrem Telefon kann ein Qubit in einem komplexen Zustand existieren, in dem es gleichzeitig an und aus ist, aber dieser empfindliche Zustand wird durch die kleinste Vibration oder Wärme leicht zerstört. Um diese fragilen Zustände zu schützen, haben Forscher traditionell in zwei verschiedene Richtungen gesucht. Ein Weg nutzt winzige Inseln aus supraleitendem Metall, in denen Elektrizität ohne Widerstand fließt, um Schaltkreise zu erzeugen, die groß und leicht mit Mikrowellen steuerbar sind. Der andere Weg nutzt den Spin einzelner Elektronen, die in Halbleitern gefangen sind – denselben Materialien, die auch in Computerchips zu finden sind –, welche unglaublich klein sind und ihren Zustand über lange Zeit halten können. Jeder Ansatz hat seine Stärken und Schwächen, was Wissenschaftler zu der Frage führt, ob sie das Beste aus beiden Welten in einem einzigen, überlegenen Gerät kombinieren könnten.

Eine neue Übersicht aktueller Forschung deutet darauf hin, dass dieser hybride Ansatz nicht nur möglich ist, sondern bereits vielversprechende Ergebnisse liefert. Durch das Verschmelzen von Supraleitern und Halbleitern auf der Nanoskala haben Forscher eine neue Familie von Quantenschaltern geschaffen, die mit elektrischen Feldern statt mit magnetischen gesteuert werden können. Diese Flexibilität ermöglicht eine schnellere und präzisere Kontrolle. Die Arbeit hebt hervor, wie diese hybriden Strukturen einzigartige Quantenzustände beherbergen können, wie etwa spezielle Energieniveaus, die im Inneren des Supraleiters gefangen sind und zur Speicherung von Informationen genutzt werden können. Vielleicht am aufregendsten beschreibt die Übersicht die ersten erfolgreichen Schritte zur Schaffung eines Typs von Qubit, der auf exotischen Teilchen namens Majorana-Zuständen basiert. Es wird vorhergesagt, dass diese Teilchen von Natur aus vor dem Rauschen geschützt sind, das normalerweise Quanteninformationen zerstört, was einen potenziellen Weg zum Bau eines Computers eröffnet, der weitaus robuster ist als alles, was derzeit verfügbar ist.

Die Reise zu diesen hybriden Geräten begann mit einer einfachen Idee: Wenn man einen Halbleiter neben einen Supraleiter platziert, sollten die supraleitenden Eigenschaften in den Halbleiter „auslaufen“ und eine Region schaffen, in der sich Elektronen paaren und ohne Widerstand fließen. Jahrzehntelang war dies schwer zu erreichen, da die Grenzfläche zwischen den beiden Materialien oft unrein war, wobei Verunreinigungen den Fluss der Elektrizität blockierten. Jüngste Fortschritte in der Materialwissenschaft haben es den Wissenschaftlingen jedoch ermöglicht, diese Schichten mit atomarer Präzision aufzuwachsen zu lassen und so eine saubere, nahtlose Verbindung zu schaffen. Dieser Durchbruch hat die Erschaffung von „Gatemons“ ermöglicht, einem Typ von supraleitendem Qubit, bei dem der Stromfluss einfach durch Anlegen einer Spannung an ein Gate ein- oder ausgeschaltet bzw. abgestimmt werden kann, ganz ähnlich wie ein Transistor in einem Standard-Computerchip. Dies eliminiert die Notwendigkeit sperriger Magnetspulen, was die Geräte leichter skalierbar und steuerbar macht.

Über die bloße Steuerung des Stromflusses hinaus ermöglichen diese hybriden Strukturen es Wissenschaftlern, einzelne Elektronen in winzigen Inseln, sogenannten Quantenpunkten, einzufangen. Wenn ein Elektron in einem solchen Punkt neben einem Supraleiter gefangen ist, kann es einen speziellen Zustand bilden, der als Andreev-gebundener Zustand bekannt ist. In diesen Zuständen springen das Elektron und sein Partner, ein Loch, zwischen dem Punkt und dem Supraleiter hin und her und erzeugen ein einzigartiges Energieniveau, das sicher innerhalb der supraleitenden Lücke liegt. Forscher haben gelernt, diese Niveaus selbst als Qubits zu nutzen. Durch die Manipulation des Spins des gefangenen Elektrons können sie Informationen kodieren. Die Übersicht berichtet, dass Wissenschaftler bereits die Fähigkeit demonstriert haben, diese „Andreev-Spin-Qubits“ mit hoher Präzision zu steuern und kohärente Oszillationen erreicht haben, die viele Mikrosekunden andauern. Dies ist ein bedeutender Meilenstein, der beweist, dass der Spin eines einzelnen Teilchens innerhalb eines supraleitenden Schaltkreises gesteuert werden kann.

Das ehrgeizigste Ziel dieser Forschung ist jedoch die Schaffung von Qubits, die durch die Gesetze der Physik selbst geschützt sind, statt nur durch Engineering. Dies beinhaltet die Erzeugung eines Materiezustands, der als topologischer Supraleiter bekannt ist und Teilchen beherbergt, die Majorana-Nullmodi genannt werden. Dies sind keine gewöhnlichen Teilchen, sondern eher exotische Anregungen, die sich so verhalten, dass sie unglaublich resistent gegen lokale Störungen sind. Wenn man versucht, eines dieser Teilchen zu stören, wird die Information, die es hält, über das gesamte System verteilt, was es unmöglich macht, dass ein kleiner Fehler die Daten zerstört. Die Übersicht beschreibt die Konstruktion von „minimalen Kitaev-Ketten“, winzigen, technisch hergestellten Anordnungen von Quantenpunkten, die darauf ausgelegt sind, die Bedingungen nachzuahmen, die für das Auftreten dieser Majorana-Teilchen erforderlich sind.

In einem bahnbrechenden Experiment, das in der Arbeit beschrieben wird, gelang es Forschern, ein Qubit unter Verwendung zweier dieser minimalen Ketten zu erstellen, die miteinander gekoppelt sind. Die Information in diesem Qubit wird in der kollektiven „Parität“ des Systems gespeichert, einer Eigenschaft, die beschreibt, ob die Anzahl der Elektronen gerade oder ungerade ist. Das Team demonstrierte, dass es dieses Qubit steuern kann, indem es durch Anlegen elektrischer Impulse zwischen verschiedenen Zuständen oszillieren lässt. Sie maßen die Zeit, die diese Oszillation zum Abklingen benötigt, und fanden eine Kohärenzzeit von etwa 26 Nanosekunden. Obwohl dies im Vergleich zu anderen Arten von Qubits sehr kurz ist, ist die Leistung tiefgreifend, da sie die erste erfolgreiche kohärente Steuerung eines Majorana-basierten Qubits darstellt. Die Forscher zeigten auch, dass sie in der Lage sind, den Zustand des Qubits in einem einzigen Durchgang (Single Shot) auszulesen, was ein entscheidender Schritt für jeden praktischen Quantencomputer ist.

Der Weg nach vorn ist nicht ohne Herausforderungen. Die aktuellen Geräte sind immer noch anfällig für Rauschen, und die Kohärenzzeiten werden durch verschiedene Faktoren begrenzt, einschließlich des Vorhandenseins von Streuteilchen, die den Zustand des Qubits ändern können. Die Übersicht betont, dass diese frühen Geräte zwar noch nicht im vollen Sinne topologisch geschützt sind – das heißt, sie sind nicht immun gegen alle Fehler –, sie aber als wichtiger Beweis der Machbarkeit dienen. Sie zeigen, dass die komplexe Physik, die zur Erzeugung und Manipulation dieser exotischen Zustände erforderlich ist, technisch hergestellt und gesteuert werden kann. Die Forscher arbeiten nun daran, diese Ketten länger und robuster zu machen, in der Hoffnung, schließlich ein Regime zu erreichen, in dem der topologische Schutz einsetzt und die Qubits von Natur aus stabil werden.

Mit der Reifung des Feldes verschiebt sich der Fokus vom Beweis, dass diese Geräte funktionieren, hin zu der Frage, wie man sie zuverlässig und skalierbar macht. Der hybride Ansatz bietet einen einzigartigen Vorteil: Er kombiniert die ausgereiften Steuerungstechniken supraleitender Schaltkreise mit der geringen Größe und Abstimmbarkeit der Halbleitertechnologie. Diese Konvergenz ermöglicht die Schaffung kompakter, gate-steuerbarer Geräte, die in größere Prozessoren integriert werden können. Die Übersicht legt nahe, dass diese hybriden Qubits in naher Zukunft als spezialisierte Komponenten in einem Quantencomputer dienen könnten, indem sie als hocheffiziente Koppler oder als geschützte Speichereinheiten fungieren, während andere Arten von Qubits die Hauptberechnungen übernehmen.

Letztlich stellt diese Forschungsarbeit einen bedeutenden Schritt in der Evolution der Quantentechnologie dar. Durch die Überbrückung der Kluft zwischen zwei unterschiedlichen physikalischen Plattformen eröffnen Wissenschaftler neue Möglichkeiten dafür, wie Quanteninformationen gespeichert und verarbeitet werden können. Die erfolgreiche Steuerung von Majorana-basierten Qubits, selbst in ihrer frühen und unvollkommenen Form, deutet darauf hin, dass der Traum von einem fehlertoleranten Quantencomputer von der Theorie in den Bereich des Engineerings rückt. Der Weg nach vorn erfordert die Lösung schwieriger Probleme in Bezug auf Materialien und Rauschen, aber das Fundament wurde gelegt, und die ersten Schritte wurden mit bemerkenswerter Klarheit getan.