Mit Topologie zu kompakteren Quantencomputern

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Niels Schröter (links) und Vladimir Strocov an einer der Experimentierstationen

Niels Schröter (links) und Vladimir Strocov an einer der Experimentierstationen der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI. Hier haben die Forschenden winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie mittels weicher Röntgenstrahlung genutzt, um die Elektronenverteilung unter der Oxidschicht von Indiumarsenid sowie Indiumantimonid zu vermessen. (Foto: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic)

Forschende haben am PSI die Elektronenverteilung unter der Oxidschicht zweier Halbleiter verglichen. Die Untersuchung ist Teil der Entwicklung besonders stabiler Quantenbits - und damit wiederum besonders effizienter Quantencomputer. Ihre jüngste Forschung, die auch von Microsoft unterstützt wird, veröffentlichen sie nun im Fachblatt Advanced Quantum Technologies.

Die Zukunft des Computerwesens ist ohne Quantencomputer nicht mehr denkbar. Hauptsächlich befinden sich diese noch in der Erforschungsphase. Sie bergen das Versprechen, bestimmte Berechnungen und Simulationen im Vergleich zu klassischen Computern um Grössenordnungen zu beschleunigen.

Die Basis von Quantencomputern sind Quantenbits, kurz Qubits. Eine neuartige, vermutlich Überlegene Art könnten sogenannte topologische Quantenbits sein. Um Hinweise zu erhalten, wie diese sich erschaffen liessen, hat ein internationales Team von Forschenden unter anderem Messungen an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am PSI durchgeführt.

Stabilere Quantenbits

«Computerbits, die den Gesetzten der Quantenmechanik folgen, lassen sich auf verschiedene Weise erreichen», erklärt Niels Schröter, einer der Studienautoren. Er war bis April 2021 Forscher am PSI und wechselte dann ans Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle, Deutschland. «Die meisten Arten von Qubits verlieren leider schnell ihre Information; man könnte sagen: Es sind vergessliche Qubits.» Dafür gibt es zwar eine technische Lösung: Jedes Qubit wird durch ein System von zusätzlichen Qubits unterstützt, die auftretende Fehler korrigieren. Doch das bedeutet, dass die Zahl der insgesamt benötigten Qubits für einen einsatzfähigen Quantencomputer schnell in den Bereich der Millionen steigt.

«Der Ansatz von Microsoft, an dem wir nun mitarbeiten, ist ein ganz anderer», so Schröter weiter. «Wir wollen helfen, eine neue Art Qubit zu erschaffen, die resistent ist gegenüber Informationsverlusten. Damit könnte man schon mit wenigen Qubits einen schlanken, funktionierenden Quantencomputer realisieren.»

Diese Resistenz erhoffen sich die Forschenden von sogenannten topologischen Quantenbits. Diese wären etwas völlig Neues, das bislang noch keine Forschungsgruppe erschaffen konnte.

Topologische Materialien wurden durch den Physik-Nobelpreis im Jahr 2016 bekannt. Die Topologie ist ursprünglich ein Bereich der Mathematik, der unter anderem erforscht, wie sich geometrische Objekte verhalten, wenn sie verformt werden. Die hierfür entwickelte mathematische Sprache lässt sich aber auch auf andere physikalische Eigenschaften von Materialien Übertragen. Quantenbits in topologischen Materialien wären dann topologische Qubits.

Quasiteilchen in Halbleiter-Nanodrähten

Bekannt ist, dass Schichtsysteme bestimmter Halbleiter und Supraleiter zu exotischen Elektronenzuständen führen könnten, die als solche topologische Qubits fungieren würden. Konkret kommen dafür ultradünne, kurze Drähte aus einem Halbleitermaterial in Betracht. Diese haben einen Durchmesser von nur 100 Nanometern und sind 1000 Nanometer (also 0,0001 Zentimeter) lang. Die obere Hälfte der Drähte ist aussen in Längsrichtung mit einer dünnen Schicht eines Supraleiters Überzogen. Der restliche Bereich der Drähte ist nicht beschichtet, sodass sich dort eine natürliche Oxidschicht bildet. Computersimulationen zur Optimierung dieser Bauteile sagen voraus, dass sich die entscheidenden quantenmechanischen Elektronenzustände nur an der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Supraleiter befinden und hingegen nicht zwischen dem Halbleiter und seiner Oxidschicht.

«Die kollektive, asymmetrische Verteilung der Elektronen, die in diesen Nanodrähten erzeugt wird, lässt sich physikalisch als sogenannte Quasiteilchen beschreiben», sagt Gabriel Aeppli, Leiter des Forschungsbereichs für Photonenforschung am PSI und ebenfalls an der aktuellen Studie beteiligt. «Wenn nun geeignete Halbleiterund Supraleitermaterialien gewählt werden, sollten sich aus diesen Elektronen an den Enden der Nanodrähte besondere Quasiteilchen namens Majorana-Fermionen bilden.»

Majorana-Fermionen sind topologische Zustände. Sie könnten also als Informationsträger, ergo als Quantenbits in einem Quantencomputer fungieren. «Rezepte, um Majorana-Fermionen zu erzeugen, haben Forschungsgruppen weltweit schon im Laufe des letzten Jahrzehnts untersucht und verfeinert», so Aeppli weiter. «Doch um bei diesem Vergleich zu bleiben: Trotzdem wussten wir nicht, in welchem Kochtopf uns dieses Rezept am besten gelingt.»

Indiumantimonid im Vorteil

Ein zentrales Anliegen des aktuellen Forschungsprojekts war daher der Vergleich zweier «Kochtöpfe». Die Forschenden untersuchten zwei verschiedene Halbleiter und ihre natürliche Oxidschicht: einerseits Indiumarsenid und andererseits Indiumantimonid.

An der SLS nutzten die PSI-Forschenden eine Untersuchungsmethode namens winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie mittels weicher Röntgenstrahlung - auf Englisch abgekürzt: SX-ARPES. Für die Interpretation der komplexen experimentellen Daten kam ein neuartiges Computermodell zum Einsatz, welches von der Gruppe um Noa Marom an der Carnegie Mellon Universität, USA, zusammen mit Vladimir Strocov vom PSI entwickelt wurde. «Die bisher verwendeten Computermodelle führten auch zu einer unübersichtlich grossen Anzahl von unrealistischen Ergebnissen. Mit unserer neuen Methode können wir nun aus allen Ergebnissen automatisch diejenigen herausfiltern, die physikalisch relevant sind, und wir können die Versuchsergebnisse gut interpretieren», erklärt Strocov.

Durch ihre Kombination aus SX-ARPES-Experimenten und Computermodellen konnten die Forschenden nun zeigen: Indiumantimonid hat unter seiner Oxidschicht eine besonders niedrige Elektronendichte. Dies wäre in den geplanten Nanodrähten vorteilhaft für die Ausbildung von topologischen Majorana-Fermionen.

«Unter dem Gesichtspunkt der Elektronenverteilung unter der Oxidschicht eignet sich also Indiumantimonid besser als Indiumarsenid, um als Trägermaterial für topologische Quantenbits zu dienen», schliesst Niels Schröter. Er gibt jedoch zu bedenken, dass bei der Suche nach den besten Materialien für einen topologischen Quantencomputer sicherlich weitere Vorund Nachteile gegeneinander abgewogen werden müssen. «Unsere hoch entwickelten spektroskopischen Methoden werden bei der Suche nach den Materialien für Quantencomputer sicherlich eine wichtige Rolle spielen», sagt Strocov. «Das PSI mach derzeit grosse Schritte, um die Quantenforschung und die quantenphysikalischen Ingenieurwissenschaften in der Schweiz auszubauen und die SLS ist ein wesentlicher Teil davon.»

Text: Paul Scherrer Institut/Laura Hennemann


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