Mit ihren überlegenen Eigenschaften könnten topologische Qubits der Entwicklung eines universell einsetzbaren Quantencomputers zum Durchbruch verhelfen. Bisher ist es noch niemandem gelungen, ein solches Quantenbit, kurz Qubit, in einem Labor eindeutig nachzuweisen. Wissenschaftlern des Forschungszentrums Jülich ist dies nun aber ein Stück weit gelungen. Erstmals gelang es ihnen, einen topologischen Isolator in ein herkömmliches supraleitendes Qubit zu integrieren. Pünktlich zum „World Quantum Day“ am 14. April schaffte es ihr neuartiges Hybrid-Qubit auf das Cover der aktuellen Ausgabe des Journals Nano-Buchstaben.
Quantencomputer gelten als die Computer der Zukunft. Mithilfe von Quanteneffekten versprechen sie, Lösungen für hochkomplexe Probleme zu liefern, die von herkömmlichen Computern in einem realistischen Zeitrahmen nicht verarbeitet werden können. Der flächendeckende Einsatz solcher Computer ist jedoch noch in weiter Ferne. Aktuelle Quantencomputer enthalten in der Regel nur wenige Qubits. Das Hauptproblem besteht darin, dass sie sehr fehleranfällig sind. Je größer das System, desto schwieriger ist es, es vollständig von seiner Umgebung zu isolieren.
Viele Hoffnungen ruhen daher auf einem neuartigen Quantenbit – dem topologischen Qubit. Dieser Ansatz wird von mehreren Forschungsgruppen sowie Unternehmen wie Microsoft verfolgt. Diese Art von Qubits weist die Besonderheit auf, dass sie topologisch geschützt sind; Die besondere geometrische Struktur der Supraleiter sowie ihre besonderen elektronischen Materialeigenschaften sorgen dafür, dass die Quanteninformation erhalten bleibt. Topologische Qubits gelten daher als besonders robust und weitgehend immun gegen externe Dekohärenzquellen. Außerdem scheinen sie vergleichbar schnelle Schaltzeiten zu ermöglichen wie die herkömmlichen supraleitenden Qubits, die Google und IBM in aktuellen Quantenprozessoren verwenden.
Ob es uns jemals gelingen wird, tatsächlich topologische Qubits herzustellen, ist allerdings noch nicht klar. Denn um die dafür notwendigen speziellen Quasiteilchen zweifelsfrei experimentell zu erzeugen, fehlt noch eine geeignete materielle Basis. Diese Quasiteilchen werden auch als Majorana-Zustände bezeichnet. Bisher konnten sie nur in der Theorie eindeutig nachgewiesen werden, nicht aber in Experimenten. Hybrid-Qubits, wie sie jetzt erstmals von der Forschungsgruppe um Dr. Peter Schüffelgen am Peter Grünberg Institut (PGI-9) des Forschungszentrums Jülich konstruiert wurden, eröffnen hier neue Möglichkeiten. Sie enthalten an entscheidenden Stellen bereits topologisches Material. Daher bietet diese neuartige Art von Hybrid-Qubit Forschern eine neue experimentelle Plattform, um das Verhalten topologischer Materialien in hochempfindlichen Quantenschaltkreisen zu testen.
Tobias W. Schmitt et al, Integration topologischer Isolator-Josephson-Übergänge in supraleitende Qubit-Schaltungen, Nano-Buchstaben (2022). DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04055