Quantencomputer können große Datenmengen schneller verarbeiten, weil sie viele Rechenschritte parallel ausführen. Der Informationsträger des Quantencomputers ist ein Qubit. Qubits besitzen nicht nur die Informationen „0“ und „1“, sondern auch Werte dazwischen. Die Schwierigkeit besteht jedoch darin, Qubits herzustellen, die klein genug sind und schnell genug geschaltet werden können, um Quantenberechnungen durchzuführen.
Supraleitende Schaltungen sind eine vielversprechende Option. Supraleiter sind Materialien, die bei extrem tiefen Temperaturen keinen elektrischen Widerstand haben und daher elektrischen Strom verlustfrei leiten. Dies ist wichtig, um den Quantenzustand von Qubits aufrechtzuerhalten und sie effizient zu verbinden.
Gralmonium-Qubits: Supraleitend und empfindlich
Forschern des KIT ist es nun gelungen, neuartige, unkonventionelle supraleitende Qubits zu entwickeln. „Der Kern eines supraleitenden Qubits ist ein sogenannter Josephson-Kontakt, der der Speicherung von Quanteninformationen dient. Hier haben wir eine entscheidende Modifikation vorgenommen“, sagt Dr. Ioan M. Pop vom Institut für Quantenmaterialien und -technologien (IQMT) des KIT.
In der Regel werden solche Josephson-Kontakte für supraleitende Quantenbits durch eine dünne Oxidbarriere erreicht, die zwei Aluminiumschichten trennt. „Wir verwenden für unsere Qubits eine einzelne Schicht Aluminiumgranulat, einen Supraleiter aus wenigen Nanometer großen Aluminiumkörnern, die in eine Oxidmatrix eingebettet sind“, sagt Pop. Dann strukturiert sich das Material selbst in einem dreidimensionalen Netzwerk von Josephson-Kontakten.
„Es ist faszinierend zu sehen, dass alle Eigenschaften unseres Qubits von einem sehr kleinen Übergang von nur 20 nm dominiert werden. Damit wirkt er wie ein Vergrößerungsglas mikroskopisch kleiner Materialdefekte in supraleitenden Qubits und bietet eine vielversprechende Option zur Verbesserung“, so Simon Günzler , IQMT, fügt hinzu.
Qubits komplett aus körnigem Aluminium
Die vom Team erzielten Fortschritte basieren auf einem zuvor erprobten Ansatz mit sogenannten Fluxonium-Qubits. Teile dieser Vorgängerversion waren aus Aluminiumgranulat, andere bestanden aus herkömmlichem Aluminium. Jetzt bestehen die gesamten Qubits aus körnigem Aluminium. „Und wenn aus einer Metallfolie ein Quantenschaltkreis herausgeschnitten werden könnte, ergeben sich ganz neue Möglichkeiten für die industrielle Fertigung durch Ätzverfahren und den erweiterten Einsatz von Qubits, beispielsweise in starken Magnetfeldern“, sagt Dennis Rieger vom Physikalischen Institut des KIT.
Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Naturmaterialien.
Mehr Informationen:
D. Rieger et al., Granulares Aluminium-Nanojunction-Fluxonium-Qubit, Naturmaterialien (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01417-9