Andreev-Qubits schaffen die Voraussetzung für Quantencomputer-Plattformen
Nach Ansicht vieler Sachverständiger liegt die Zukunft in Quanten. Die Quanteninformatik bietet eine wesentlich höhere Rechenleistung, denn sie profitiert davon, dass Materie sowohl aus Teilchen als auch aus Wellen besteht. Diese gesteigerte Kapazität könnte für viele komplexe globale Herausforderungen eingesetzt werden, von der Verschlüsselung für eine sicherere Kommunikation bis hin zur Chemie für maßgeschneiderte Arzneimittel. Die Herausforderung besteht darin, von der Konzeptionsphase zum tatsächlichen Bau funktionierender Quanten-Hardware zu gelangen. Auf der Suche nach solchen revolutionären Vorteilen widmen sich viele Forschungsgruppen weltweit diesem Ziel. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts AndQC wurde sich mit einer Reihe von experimentellen und theoretischen Problemen im Zusammenhang mit der Entwicklung einer Festkörper-Quantenplattform befasst. „Unsere Arbeit zur Untersuchung von Halbleiterkanälen, die in supraleitende Quantenschaltkreise eingebettet sind, trägt dazu bei, den Grundstein für weitere angewandte Forschung in diesem zukunftsweisenden Bereich zu legen“, sagt Projektkoordinator Attila Geresdi. Die daraus resultierenden 88 wissenschaftlichen Veröffentlichungen sind ein Beweis dafür.
Andreev-Qubits
In der Welt der Quantencomputer übernehmen Quantenbits oder „Qubits“ die Rolle der klassischen binären „0“- oder „1“-Bits – die Grundeinheiten der Information, die derzeitige Berechnungen erlauben. AndQC interessierte sich besonders für bestimmte Qubits, die sogenannten „Andreev-Qubits“, weil sie eine noch nie dagewesene Funktionalität aufweisen. Andreev-Qubits weisen verschiedene „Niveaus“ auf – besetzt mit null, einem oder zwei Elektronen –, die jeweils unterschiedliche supraleitende Eigenschaften haben. AndQC konzentrierte sich auf das „Andreev-Spin-Qubit“, da es die Möglichkeit bietet, den Spin eines einzelnen Elektrons und den es umgebenden elektronischen Strom direkt zu koppeln. Der jüngste Durchbruch des Copenhagen Node bei der Abscheidung von Supraleitern mit sauberen Grenzflächen auf Halbleiter-Nanostrukturen bietet die Aussicht auf den Bau einer Andreev-Qubit-Plattform. In diesen Bauelementen kann die Qubit-Frequenz durch elektrostatische Gatter eingestellt werden, was Flexibilität und Skalierbarkeit bietet. Das AndQC-Team demonstrierte die Fähigkeit, Andreev-Qubits neben verschiedenen Kopplungskonzepten und Materialkombinationen wirksam zu kontrollieren. Die Ergebnisse wurden mit etablierten, skalierbaren Festkörper-Quantentechnologien verglichen, vor allem mit Halbleiter-Spin-Qubits und supraleitenden Quantenschaltungen. Um sie für eine Festkörperplattform nutzen zu können, bedarf es hochwertiger Halbleiter-Nanodrähte und zweidimensionaler Halbleiter-Heterostrukturen sowie sauberer supraleitender Leiter. „Wir haben den Reifegrad von Quantenplattformen auf der Grundlage von Andreev-Qubits deutlich erhöht“, fügt Geresdi hinzu. „Doch die Herausforderung, die saubere Nanofabrikation und die richtige Kombination von Halbleiter- und Supraleitermaterialien zu finden, bleibt bestehen.“ Das Team analysierte außerdem die noch unerforschte fermionische Quantenberechnung. Fermionen sind Teilchengruppen mit denselben Spin-Eigenschaften, darunter Protonen, Neutronen, Elektronen, Neutrinos und Quarks. Dieser Ansatz könnte eine effizientere Simulation von Elektronen (selbst Fermionen) in Molekülen und neuartigen Werkstoffen unterstützen und damit einige der derzeitigen Hindernisse für die Einführung von Quantencomputern in der Praxis überwinden. Das Projektteam erstellte einen Entwurf für die experimentelle Realisierung der fermionischen Quantenberechnung mit Andreev-Qubits.
Ein Quantensprung nach vorn
Quantentechnologien, insbesondere die Quanteninformatik, sind ein strategisch wichtiger Forschungsbereich für die Europäische Union, wie die Quanten-Flaggschiff-Initiative und die Milliarden Euro, die für ihre Entwicklung zur Verfügung stehen, zeigen. „Da wir uns auf eine erste Demonstration von Andreev-Qubits beschränkt haben, müssen wir nun an der praktischen Umsetzung arbeiten, um diese Forschung dem europäischen Markt näher zu bringen. Öffentlich-private Partnerschaften könnten dazu beitragen, vielleicht mit Unterstützung des Europäischen Innovationsrat“, so Geresdi abschließend.
Schlüsselbegriffe
AndQC, Quanten, Informatik, Qubit, Nano, Halbleiter
