Die Forschung im Bereich der Quantencomputer hat einen bedeutsamen Fortschritt erzielt. Physiker*innen der Universität zu Köln haben einen supraleitenden Effekt in Nanodrähten aus topologischen Isolatoren entdeckt, der als entscheidend für die Zukunft stabiler Quantenbits (Qubits) gilt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlicht, und der Nachweis der gekreuzten Andreev-Reflexion (Crossed Andreev Reflection – CAR) stellt einen wichtigen Schritt in der Entwicklung dieser Technologie dar. Der Titel der Studie lautet „Long-range crossed Andreev reflection in topological insulator nanowires proximitized by a superconductor“ und wurde von Dr. Junya Feng und Professor Dr. Yoichi Ando durchgeführt. Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit der Universität Basel verfasst.
Topologische Isolatoren (TI) haben sich als vielversprechende Grundlage für robuste Quantenbits auf Basis von Majorana-Fermionen etabliert. Jetzige Qubit-Technologien sind oft instabil und fehleranfällig. Eine neue Methode zur Herstellung von Nanodrähten aus topologischen Isolatoren wurde von Junya Feng entwickelt, die eine sauberere Struktur schafft und es ermöglicht, supraleitende Korrelationen in diesen Nanodrähten zu induzieren. Diese Korrelationen sind unerlässlich für die Schaffung und Kontrolle von Majorana-Fermionen, welche die Basis für die neuen Quantenbits bilden.
Herausforderungen und Möglichkeiten
Ein zentrales Problem bei der Entwicklung von Quantencomputern ist die Instabilität bestehender Technologien. Aktuelle Qubit-Ansätze kämpfen mit Fehlerraten, die die Leistung von Quantencomputern stark einschränken. Mit der Entdeckung der gekreuzten Andreev-Reflexion zeigt sich jedoch ein vielversprechender Weg, diese Trefferquote zu verbessern. Hierbei koppelt ein in den Nanodraht injiziertes Elektron mit einem anderen, um ein supraleitendes Cooper-Paar zu bilden, was eine weitreichende supraleitende Korrelation erzeugt.
Zusätzlich zu den Fortschritten der Kölner Physiker hat Microsoft kürzlich Majorana 1 vorgestellt, den weltweit ersten Quantenprozessor, der auf topologischen Qubits basiert. Dieser Prozessor ist so konzipiert, dass er die Skalierung auf bis zu eine Million Qubits auf einem einzigen Chip ermöglicht. Die dazugehörige Technologie nutzt eine Kombination aus Indiumarsenid, einem Halbleiter, und Aluminium, einem Supraleiter, um topologische supraleitende Nanodrähte mit Majorana Zero Modes (MZMs) zu bilden. MZMs dienen zur Speicherung quantenmechanischer Informationen und könnten die Quantenverarbeitung revolutionieren.
Der Weg zur Fehlerkorrektur
In den ersten Messungen des Majorana 1-Prozessors wurde eine Fehlerrate von lediglich 1 % festgestellt, mit dem Ziel, diese Zahl weiter zu senken. Das System zeigt eine bemerkenswerte Stabilität, wobei externe Energiestörungen die Qubit-Zustände selten beeinflussen. Microsoft plant, ein fehlerresistentes Quantencomputing-Prototyp in den kommenden Jahren zu realisieren und arbeitet aktiv an einem neuartigen Backend, das die Fehlerkorrektur durch digitale pulses vereinfacht. Mit der Entwicklung eines Tertrons, einem einzel-qubit-basierten Gerät, wird der nächste Schritt in der Roadmap zu einer fehler-toleranten Quantenberechnung angestrebt.
Zusammen zeigen die Entwicklungen der Universität zu Köln und die von Microsoft, dass topologische Quantencomputer das Potenzial haben, die Quanteninformationsverarbeitung erheblich zu verbessern, was weitreichende Impulse für Bereiche wie Materialwissenschaft, Landwirtschaft und chemische Entdeckungen verspricht. Die Herausforderungen beim aktuellen Stand der Quantencomputing-Technologie könnten durch diese neuen Ansätze deutlich verringert werden.
Forscher*innen und Entwickler weltweit halten die Augen gespannt auf die Fortschritte in der Quantencomputing-Technologie gerichtet, während die bedeutenden Arbeiten des Exzellenzclusters „Materie und Licht für Quanteninformation“ (ML4Q) in Köln, sowie die wegweisenden Entwicklungen bei Microsoft neue Horizonte eröffnen.
Weitere Informationen finden Sie in den Studien an der Universität zu Köln, den Untersuchungen zu Transporteigenschaften bei topologischen Isolatoren auf PubMed, sowie den neuesten Entwicklungen bei Microsoft auf deren Blog Azure.