Forschung

Topologische Majorana-Quantenbits

09.03.2018 - Topologischer Supraleiter zeigt wünschens­werte Eigen­schaften für wider­stands­fähige Quanten­bits.

Die Entwicklung von Quantencomputern schreitet schnell voran. Bereits heute lassen sich mit ein­fachen Quanten­rechnern Simu­la­tionen durch­führen, die von den beson­deren Eigen­schaften der Quanten­bits profi­tieren. Dank der quanten­typischen Ver­schrän­kung können Quanten­bits sich quasi kollektiv durch den Hilbert­raum hangeln und dabei parallel alle möglichen Rechen­wege auf einmal durch­gehen. Diese Fähig­keit ver­spricht einer­seits enorme Rechen­leistung bei Auf­gaben wie der Krypto­graphie, Simu­la­tionen von chemischen und pharma­zeutisch interes­santen Reak­tionen und vielem mehr. Zugleich ist die Ver­schrän­kung von Quanten­zu­ständen aber auch ein techno­lo­gisch höchst diffi­ziles Problem – denn sie funk­tio­niert nur, solange die Quanten­zu­stände unge­stört sind.

Topologischer Supraleiter

Abb.: Die Elektronen im Innern des Materials sind nicht spin­polari­siert und es treten keine topo­lo­gischen Effekte auf. An der Ober­fläche hin­gegen kommt es zu topo­lo­gischer Supra­leitung. (Bild: P. Zhang et al.)

Schon kleine thermische oder elektromagnetische Störungen können den gesamten Quanten-Rechen­prozess zum Erliegen bringen. Da diese Prozesse immer durch­gehend von Anfang bis Ende ablaufen müssen, lässt sich auch kein Zwischen­ergebnis ermitteln und abspeichern. Mit dem steigenden Komplexi­täts­grad von Quanten­computern wachsen folg­lich auch die Schwierig­keiten mit der Deko­hä­renz drastisch an. Ein inter­natio­nales Forscher­team um Shik Shin von der Univer­sität Tokio hat nun ein Material ein­gehend analy­siert, das sehr wünschens­werte topo­lo­gische Eigen­schaften für besonders wider­stands­fähige Quanten­bits mit­bringt.

Die Forscher untersuchten den eisenbasierten Supra­leiter FeTe1-xSex mit x = 0,45, der eine Supra­leitungs-Sprung­tempe­ratur von 14,5 Kelvin besitzt. Diese hohe Sprung­tempe­ratur ist für den Bau von Quanten­bits ange­nehm, da sie eine gute thermische Stabi­lität gewähr­leistet. Ein weiterer Vorteil gegen­über anderen topo­lo­gischen Materi­alien besteht darin, dass dieser Stoff ein Kristall ist, an dessen Ober­fläche sich topo­lo­gische Eigen­schaften zeigen sollten. Andere topo­lo­gische Materi­alien sind häufig Hetero­struk­turen, deren Her­stel­lung oder Hand­habung teil­weise sehr auf­wändig ist und die nur bei sehr tiefen Tempe­ra­turen die gewünschten Charak­teris­tika zeigen.

Die Wissenschaflter analysierten dieses Material mit unter­schied­lichen Methoden, unter anderem mit spin- und winkel­auf­ge­löster Photo­elek­tronen­spektro­skopie. Dabei fanden sie eine viel­ver­sprechende Band­struktur, die einem topo­lo­gischen Supra­leiter ent­spricht. Topo­lo­gische Supra­leiter sind für den Bau von Quanten­bits auf­grund ihrer unge­wöhn­lichen Band­struktur von Bedeu­tung: Die Öffnung der supra­leitenden Band­lücke geht mit der Ent­stehung von Null­punkt-Anre­gungen einher, die zugleich ihre eigenen Anti­teil­chen sind. Solche Quasi­teil­chen-Zustände werden auch Majorana-Moden oder gebundene Majorana-Zustände genannt – nach dem italie­nischen Theore­tiker Majorana, der schon 1937 die Exis­tenz von Fermionen vorher­gesagt hatte, die ihre eigenen Anti­teil­chen sind. Gebun­dene Majorana-Zustände in Supra­leitern weisen jedoch keine Fermi-Statistik auf, sondern sind nicht-abel­sche Anyonen: Wenn man zwei von ihnen ver­tauscht, ändert sich der Gesamt­zustand des Systems so, dass er nur von der Reihen­folge der Ver­tauschungen abhängt. Diese topo­lo­gische Eigen­schaft führt zu einer enormen Robust­heit gegen­über äußeren Ein­wirkungen und macht sie unempfind­lich für Deko­härenz.

„Die topologischen Zustände in eisenbasierten Supraleitern existieren aber nur in einem sehr kleinen Energie­bereich“, sagt Peng Zhang von der Univer­sität Tokio. „Um diese Zustände auf­lösen zu können, mussten wir extrem genau messen.“ Mit diesem und ähn­lichen Materi­alien könnte sich also ein neuer Techno­logie­pfad für Quanten­bits öffnen.

Auch wenn diese Ergebnisse auf den ersten Blick aufhorchen lassen, ist zugleich aber auch offen­bar: Es ist noch ein gutes Stück Weg bis hin zu topo­lo­gischen Quanten­bits, die mit Majorana-Zuständen arbeiten. Es bleiben noch viele Fragen zu klären, insbe­sondere wie sich die Majorana-Moden mit passenden Magnet­feldern am geschick­testen erzeugen und mani­pu­lieren lassen und wie man ver­schiedene von ihnen mit­ein­ander ver­schaltet. Zunächst wollen die Wissen­schaftler heraus­finden, wie sich solche Zustände so präpa­rieren lassen, dass man tat­säch­lich mit ihnen arbeiten kann. Im Ver­gleich zu etab­lierten Quanten­techno­logien, wie Atomen in optischen Gittern oder Josephson-Tunnel­kontakten, befindet sich dieses Gebiet noch in den Kinder­schuhen.

Erst wenn diese Hürde genommen ist, kommen Majorana-Quantenbits über­haupt als Alter­native zu den bis­lang genutzten Techniken in Frage. Die Forscher rechnen mit ungefähr fünf bis zehn Jahren, bis einsatz­fähige Majorana-Quanten­bits ver­füg­bar sein sollten. Vom heute Mach­baren mit rund einigen Dutzend ver­schal­teten Quanten­bits bis hin zu den in großem Maß­stab wirk­lich interes­santen Quanten­computern mit vielleicht einigen Tausend Quanten­bits ist es noch ein sehr weiter Weg. Und es ist bis­lang kaum abzu­schätzen, welche Schwierig­keiten die Dekohä­renz beim Bau zuneh­mend komplexer Quanten­computer noch bringen wird. Wie schnell die positiven Eigen­schaften von Majorana-Zuständen dann zum Tragen kommen und welche Ent­wick­lung die anderen Typen von Quanten­bits bis dahin genommen haben werden, bleibt spannend zu beob­achten.

Dirk Eidemüller

RK

T5 Jobmesse

Starten Sie durch im Neuen Jahr! Besuchen Sie die T5 JobMesse am 27. März im Haus der Wirtschaft in Stuttgart und treffen Sie auf attraktive Arbeitgeber.

Weitere Informationen

COMSOL Days

Besuchen Sie einen COMSOL Day, um sich einen Tag lang mit Multiphysik-Modellierungstraining, spannenden Praxis-Vorträgen und Demo-Stationen weiterzubilden.

Informationen und Anmeldung

T5 Jobmesse

Starten Sie durch im Neuen Jahr! Besuchen Sie die T5 JobMesse am 27. März im Haus der Wirtschaft in Stuttgart und treffen Sie auf attraktive Arbeitgeber.

Weitere Informationen

COMSOL Days

Besuchen Sie einen COMSOL Day, um sich einen Tag lang mit Multiphysik-Modellierungstraining, spannenden Praxis-Vorträgen und Demo-Stationen weiterzubilden.

Informationen und Anmeldung