Topologische Quantencomputer kommen mit neuer Methode zum „Spalten“ von Elektronen einen Schritt näher

Der topologische Quantencomputer existiert noch immer nur in der Theorie, wäre aber, wenn möglich, der stabilste und leistungsfähigste Rechner der Welt. Allerdings erfordert er einen speziellen Typ von Qubit (Quantenbit), der bislang weder realisiert noch manipuliert werden konnte.

Herkömmliche Materie besteht aus Atomen, die Elektronen enthalten, und Wissenschaftler wissen seit langem, dass Elektronen unteilbare Elementarteilchen sind. Doch überraschende neue Forschungsergebnisse zeigen, dass sich eine seltsame Eigenschaft der Quantenmechanik nutzen lässt, um Objekte zu erzeugen, die sich wie die Hälfte eines Elektrons verhalten.

Diese „gespaltenen Elektronen“ können als topologische Qubits fungieren und könnten der Schlüssel zur Entfaltung der gesamten Leistungsfähigkeit der Quantenberechnung sein.

Die Entdeckung, vor kurzem veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Überprüfungwurde von Professor Andrew Mitchell von der School of Physics des University College Dublin (UCD) und Dr. Sudeshna Sen vom Indian Institute of Technology in Dhanbad erstellt, die als theoretische Physiker die Quanteneigenschaften elektronischer Schaltkreise im Nanomaßstab untersuchen.

„Die Miniaturisierung der Elektronik hat mittlerweile einen Punkt erreicht, an dem Schaltkreiskomponenten nur noch Nanometer groß sind. In diesem Maßstab werden die Spielregeln durch die Quantenmechanik bestimmt und man muss seine Intuition darüber, wie die Dinge funktionieren, aufgeben“, sagte Dr. Sen.

„Ein Strom, der durch einen Draht fließt, besteht eigentlich aus vielen Elektronen, und wenn man den Draht immer kleiner macht, kann man beobachten, wie die Elektronen einzeln hindurchgehen. Wir können jetzt sogar Transistoren herstellen, die mit nur einem einzigen Elektron funktionieren.“

In elektronischen Schaltkreisen im Nanomaßstab kann das Phänomen der Quanteninterferenz zwischen Elektronen zu Zuständen führen, in denen es so aussieht, als würden sich die Elektronen spalten.

Professor Mitchell sagte: „In einem nanoelektronischen Schaltkreis können Elektronen, die unterschiedliche Wege im Schaltkreis nehmen, destruktiv interferieren und den Stromfluss blockieren. Dieses Phänomen wurde bereits zuvor bei Quantengeräten beobachtet.“

„Unsere neue Entdeckung ist, dass sich die Quanteninterferenz ändert, wenn man mehrere Elektronen so nahe zusammendrängt, dass sie sich gegenseitig stark abstoßen. Auch wenn Elektronen die einzigen Elementarteilchen im Schaltkreis sind, können sie sich gemeinsam so verhalten, als ob das Elektron in zwei Teile gespalten worden wäre.“

Das Ergebnis ist ein sogenanntes „Majorana-Fermion“ – ein Teilchen, das Mathematiker erstmals 1937 theoretisch beschrieben, aber bislang noch nicht experimentell isoliert haben. Die Entdeckung ist möglicherweise wichtig für die Entwicklung neuer Quantentechnologien, wenn das Majorana-Teilchen in einem elektronischen Gerät erzeugt und manipuliert werden kann.

Professor Mitchell sagte: „In den letzten Jahren wurde intensiv nach Majoranas gesucht, da sie eine Schlüsselkomponente für vorgeschlagene topologische Quantencomputer sind. Wir haben möglicherweise einen Weg gefunden, sie in nanoelektronischen Geräten zu erzeugen, indem wir den Quanteninterferenzeffekt ausnutzen.“

Quanteninterferenz erklärt durch das Doppelspaltexperiment

Wenn ein nanoelektronischer Schaltkreis so konstruiert wird, dass Elektronen zwischen zwei verschiedenen Wegen wählen können, kommt es zu Quanteninterferenzen. Professor Mitchell erläutert: „Die Quanteninterferenz, die wir in solchen Schaltkreisen beobachten, ist der im berühmten Doppelspaltexperiment beobachteten sehr ähnlich.“

Das Doppelspaltexperiment demonstriert die wellenartigen Eigenschaften von Quantenteilchen wie Elektronen, die in den 1920er Jahren zur Entwicklung der Quantenmechanik führten. Einzelne Elektronen werden auf einen Schirm mit zwei winzigen Öffnungen geschossen, und der Ort, an dem sie landen, wird auf einer Fotoplatte auf der anderen Seite aufgezeichnet.

Da die Elektronen beide Schlitze passieren können, stören sie sich gegenseitig. Tatsächlich kann ein einzelnes Elektron mit sich selbst stören, genau wie eine Welle, die beide Schlitze gleichzeitig passiert.

Da die Elektronen durch beide Schlitze hindurchgehen können, können die auf der anderen Seite austretenden Wellen auf komplexe Weise interagieren und rekombinieren, wodurch ein Interferenzmuster entsteht. Wenn die Spitze einer Welle mit dem Tal einer anderen kollidiert, heben sich die beiden Wellen auf – das Elektron kann nicht hindurchgehen.

„Dasselbe passiert auch in einem nanoelektronischen Schaltkreis“, sagte Professor Mitchell. „Quanteninterferenz kann genutzt werden, um die Art von Qubits zu erzeugen, die wir für leistungsfähigere Quantencomputer benötigen.“