Forschern gelingt ein Quantencomputing-Sprung mit magnetischer Wendung

Quantencomputing könnte unsere Welt revolutionieren. Für spezifische und entscheidende Aufgaben verspricht es, exponentiell schneller zu sein als die Null-oder-Eins-Binärtechnologie, die den heutigen Maschinen zugrunde liegt, von Supercomputern in Labors bis hin zu Smartphones in unseren Taschen. Die Entwicklung von Quantencomputern hängt jedoch vom Aufbau eines stabilen Netzwerks aus Qubits – oder Quantenbits – ab, um Informationen zu speichern, darauf zuzugreifen und Berechnungen durchzuführen.

Doch die bisher vorgestellten Qubit-Plattformen haben ein gemeinsames Problem: Sie neigen dazu, empfindlich und anfällig für Störungen von außen zu sein. Sogar ein verirrtes Photon kann Probleme verursachen. Die Entwicklung fehlertoleranter Qubits – die immun gegen äußere Störungen wären – könnte die ultimative Lösung für diese Herausforderung sein.

Ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern und Ingenieuren der University of Washington hat einen bedeutenden Fortschritt bei dieser Suche angekündigt. In zwei Artikeln, die am 14. Juni veröffentlicht wurden Natur und 22. Juni in Wissenschaftberichten die Forscher, dass sie in Experimenten mit Flocken aus Halbleitermaterialien – von denen jede nur eine einzige Atomschicht dick ist – Signaturen von „Fractional Quantum Anomalous Hall“-Zuständen (Fractional Quantum Anomalous Hall, FQAH) entdeckten.

Die Entdeckungen des Teams stellen einen ersten und vielversprechenden Schritt bei der Konstruktion einer Art fehlertolerantem Qubit dar, da FQAH-Zustände beliebige Teilchen beherbergen können – seltsame „Quasiteilchen“, die nur einen Bruchteil der Ladung eines Elektrons haben. Einige Arten von Anyons können zur Herstellung sogenannter „topologisch geschützter“ Qubits verwendet werden, die gegenüber kleinen, lokalen Störungen stabil sind.

„Dies begründet wirklich ein neues Paradigma für die zukünftige Untersuchung der Quantenphysik mit fraktionierten Anregungen“, sagte Xiaodong Xu, der leitende Forscher hinter diesen Entdeckungen, der auch Boeing Distinguished Professor of Physics und Professor für Materialwissenschaften und -technik an der UW ist .

FQAH-Zustände stehen im Zusammenhang mit dem fraktionierten Quanten-Hall-Zustand, einer exotischen Phase der Materie, die in zweidimensionalen Systemen existiert. In diesen Zuständen ist die elektrische Leitfähigkeit auf genaue Bruchteile einer Konstante beschränkt, die als Leitfähigkeitsquantum bekannt ist. Aber fraktionierte Quanten-Hall-Systeme benötigen typischerweise massive Magnetfelder, um stabil zu bleiben, was sie für Anwendungen im Quantencomputing unpraktisch macht. Der FQAH-Staat hat keine solche Anforderung – er ist laut dem Team auch „bei einem Magnetfeld von Null“ stabil.

Um solch eine exotische Phase der Materie zu beherbergen, mussten die Forscher ein künstliches Gitter mit exotischen Eigenschaften bauen. Sie stapelten zwei atomar dünne Flocken des Halbleitermaterials Molybdänditellurid (MoTe2) in kleinen, gegenseitigen „Verdrehungswinkeln“ zueinander. Diese Konfiguration bildete ein synthetisches „Wabengitter“ für Elektronen.

Als die Forscher die gestapelten Scheiben auf einige Grad über dem absoluten Nullpunkt abkühlten, entstand im System ein intrinsischer Magnetismus. Der intrinsische Magnetismus ersetzt das starke Magnetfeld, das typischerweise für den fraktionierten Quanten-Hall-Zustand erforderlich ist. Mithilfe von Lasern als Sonden entdeckten die Forscher Signaturen des FQAH-Effekts, ein großer Fortschritt bei der Erschließung der Leistungsfähigkeit aller Quantencomputer.

Das Team – zu dem auch Wissenschaftler der University of Hong Kong, des National Institute for Materials Science in Japan, des Boston College und des Massachusetts Institute of Technology gehören – sieht sein System als leistungsstarke Plattform, um ein tieferes Verständnis für alle zu entwickeln, die sehr viel haben andere Eigenschaften als alltägliche Teilchen wie Elektronen.

Anyonen sind Quasiteilchen – oder teilchenähnliche „Anregungen“ – die als Bruchteile eines Elektrons wirken können. In zukünftigen Arbeiten mit ihrem experimentellen System hoffen die Forscher, eine noch exotischere Version dieser Art von Quasiteilchen zu entdecken: „nicht-abelsche“ Anyonen, die als topologische Qubits verwendet werden könnten. Das Umeinanderwickeln – oder „Flechten“ – der nichtabelschen Anyons umeinander kann einen verschränkten Quantenzustand erzeugen. In diesem Quantenzustand sind Informationen im Wesentlichen über das gesamte System „verteilt“ und resistent gegen lokale Störungen – sie bilden die Grundlage topologischer Qubits und einen großen Fortschritt gegenüber den Fähigkeiten aktueller Quantencomputer.

„Diese Art von topologischem Qubit würde sich grundlegend von denen unterscheiden, die jetzt erstellt werden können“, sagte Eric Anderson, Physikdoktorand der UW, Hauptautor des Science-Artikels und Co-Hauptautor des Nature-Artikels. „Das seltsame Verhalten nicht-abelscher Anyons würde sie als Quantencomputerplattform viel robuster machen.“

Drei Schlüsseleigenschaften, die im Versuchsaufbau der Forscher alle gleichzeitig vorhanden waren, ermöglichten die Entstehung von FQAH-Zuständen:

Das Team hofft, dass Nicht-Abelianer auf ihre Entdeckung durch diesen neuen Ansatz warten.

„Die beobachteten Signaturen des fraktionierten quantenanomalen Hall-Effekts sind inspirierend“, sagte UW-Physikdoktorand Jiaqi Cai, Co-Hauptautor der Studie Natur Artikel und Co-Autor des Wissenschaft Papier. „Die fruchtbaren Quantenzustände im System können ein Labor auf einem Chip zur Entdeckung neuer Physik in zwei Dimensionen und auch neuer Geräte für Quantenanwendungen sein.“

„Unsere Arbeit liefert klare Beweise für die seit langem angestrebten FQAH-Zustände“, sagte Xu, der auch Mitglied des Molecular Engineering and Sciences Institute, des Institute for Nano-Engineered Systems und des Clean Energy Institute der UW ist. „Wir arbeiten derzeit an Messungen des elektrischen Transports, die einen direkten und eindeutigen Beweis für fraktionale Anregungen bei einem Magnetfeld von Null liefern könnten.“

Das Team ist davon überzeugt, dass die Untersuchung und Manipulation dieser ungewöhnlichen FQAH-Zustände mit ihrem Ansatz alltäglich werden und so die Entwicklung des Quantencomputings beschleunigen kann.