Schichtsupraleiter zeigt ungewöhnliche Eigenschaften mit Potenzial für Quantencomputer

Ein Team unter der Leitung von Forschern des California NanoSystems Institute an der UCLA hat ein einzigartiges Material auf Basis eines herkömmlichen Supraleiters entwickelt – also eines Stoffes, durch den Elektronen unter bestimmten Bedingungen, wie beispielsweise extrem niedrigen Temperaturen, ohne Widerstand hindurchwandern können. Das experimentelle Material zeigte Eigenschaften, die auf sein Potenzial für den Einsatz im Quantencomputing hindeuten, einer sich entwickelnden Technologie mit Fähigkeiten, die über die klassischer Digitalcomputer hinausgehen.

Das Papier ist veröffentlicht im Journal Natur.

Konventionelle Supraleiter versagen normalerweise bei Magnetfeldern einer bestimmten Stärke. Das neue Material behielt seine supraleitenden Eigenschaften auch bei einem viel stärkeren Magnetfeld als der theoretischen Grenze eines konventionellen Supraleiters. Das Team maß auch, wie hoch der elektrische Strom sein kann, den das neue Material aufnehmen kann, bevor die Supraleitung unterbrochen wird, indem es Strom aus einer Richtung und dann noch einmal aus der entgegengesetzten Richtung anlegte. Die Forscher stellten fest, dass eine Richtung deutlich höhere Ströme zuließ als die andere. Dies wird oft als supraleitender Diodeneffekt bezeichnet. Konventionelle Supraleiter hingegen würden ihre Eigenschaft des Nullwiderstands bei gleichem Strom aus beiden Richtungen verlieren.

Quantencomputer arbeiten auf der Grundlage der kontraintuitiven Regeln, die die Wechselwirkung subatomarer Teilchen bestimmen. Die grundlegende Informationseinheit im Quantencomputer, das Qubit, kann eine Vielzahl von Werten haben. Das Bit – die grundlegende Informationseinheit im klassischen Computer – kann dagegen nur einen von zwei Werten haben.

Quantencomputer könnten zwar Berechnungen durchführen, die herkömmliche Computer nicht durchführen können, doch die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen. Bevor sie ihr Potenzial entfalten kann, müssen noch einige Hindernisse überwunden werden. Eines dieser Hindernisse ist die Fragilität des Qubits. Kleine Änderungen der Bedingungen können dazu führen, dass Qubits ihre Quanteneigenschaften verlieren, die nur Millionstel einer Sekunde andauern.

Forscher haben die Theorie aufgestellt, dass ein unkonventioneller Typ von Supraleiter, ein sogenannter chiraler Supraleiter, dazu beitragen könnte, die Genauigkeit von Qubits bei der Ausführung der Schritte eines Programms zu verbessern.

Sowohl chirale als auch konventionelle Supraleiter basieren auf Quantenphänomenen. Elektronenpaare werden über eine Distanz in einem Zustand verbunden, der als Verschränkung bezeichnet wird und den Eigenschaften der Elektronen bestimmte Regeln auferlegt. Um diese Regeln einzuhalten, bewegen sich in konventionellen Supraleitern die verschränkten Elektronen in entgegengesetzte Richtungen und drehen sich in entgegengesetzte Richtungen. In chiralen Supraleitern könnten verschränkte Elektronen in die gleiche Richtung rotieren und müssen Regeln einhalten, die die Beziehung zwischen ihren Bewegungen extrem komplex machen und möglicherweise neue Möglichkeiten eröffnen, den Stromfluss anzupassen oder Informationen zu verarbeiten.

Als Folge dieses Kontrasts weist die Aktivität der Elektronen in konventionellen Supraleitern Symmetrien auf, die in chiralen Supraleitern gebrochen sind, was den Fluss in eine Richtung gegenüber der anderen begünstigt, wie man beim supraleitenden Diodeneffekt beobachten kann. Heute sind nur wenige Verbindungen Kandidaten für chirale Supraleitung, und sie sind äußerst selten. In der aktuellen Studie haben die Forscher einen Weg gefunden, ihr Material so anzupassen, dass ein konventioneller Supraleiter sich wie ein chiraler verhält.

Das von der UCLA geleitete Team schuf ein Gitter mit abwechselnden Schichten. Eine Schicht aus Tantaldisulfid, einem herkömmlichen Supraleiter, war so dünn wie drei Atome. Die nächste bestand aus einer „linkshändigen“ oder „rechtshändigen“ Molekülschicht einer anderen Verbindung. Die Forscher testeten winzige nanometergroße Geräte aus ihrem Gitter, um festzustellen, ob das Material die Eigenschaften eines chiralen Supraleiters aufwies.

Quanteninformatik könnte Innovationen hervorbringen, wie etwa unüberwindbare Cybersicherheit, hochentwickelte künstliche Intelligenz und hochpräzise Simulationen von Phänomenen, von der Wirkung von Medikamenten im Körper über den Fluss des Stadtverkehrs bis hin zu den Schwankungen der Finanzmärkte. Um diese Anwendungen zu erreichen, müssen Quantencomputer ihre Fähigkeit, trotz möglicher Störungen fragiler Qubits zu funktionieren, deutlich verbessern. Supraleitende Schaltkreise bilden die Grundlage vieler Quanteninformatik-Ansätze, und der supraleitende Diodeneffekt, der durch chirale Supraleiter erreicht wird, dürfte für die Schaffung effizienterer und stabilerer Qubits nützlich sein.

Neben seiner Nützlichkeit für Quantencomputer könnte der supraleitende Diodeneffekt chiraler Supraleiter herkömmliche Elektronik- und Kommunikationstechnologien deutlich schneller machen und gleichzeitig den Energieverbrauch minimieren. Diese Eigenschaften eignen sich besonders gut für Spezialanwendungen wie Computer, die bei extrem niedrigen Temperaturen im Weltraum arbeiten.

Da chirale Supraleiter bisher so schwer zu finden waren, könnte ihre Herstellung aus leichter verfügbaren Bestandteilen – wie beispielsweise dem in dieser Studie vorgestellten neuen Hybridmaterial – dazu beitragen, das Potenzial des Quantencomputings auszuschöpfen und gleichzeitig Verbesserungen bei elektronischen Geräten voranzutreiben.