Erstes Hybrid-Quantenbit mit topologischen Isolatoren

Wichtiger Schritt auf dem Weg zum topologischen Quantencomputer:

Topologische Qubits könnten mit ihren besonderen Eigenschaften dem universell einsetzbaren Quantencomputer zum Durchbruch verhelfen. Bisher ließ sich aber noch kein Quantenbit, kurz Qubit, dieses Typs im Labor realisieren. Wissenschaftlern des Forschungszentrums Jülich ist nun aber ein wichtiger Teilerfolg geglückt. Ihnen gelang es erstmalig, einen topologischen Isolator in ein konventionelles supraleitendes Qubit zu integrieren. Ihr neuartiges Hybrid-Qubit schaffte es pünktlich zum „World Quantum Day“ am 14. April bis aufs Cover der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Nano Letters.

Quantencomputer gelten als Rechner der Zukunft. Mithilfe von Quanteneffekten versprechen sie die Lösung von hochkomplexen Problemen, die mit klassischen Rechnern nicht oder nicht in realistischer Zeit zu bearbeiten sind. Von einem breiten Einsatz in der Praxis ist man heute allerdings noch weit entfernt. Aktuelle Quantenprozessoren verfügen meist nur über wenige Quantenbits. Das Hauptproblem ist die Fehleranfälligkeit. Je größer das System, desto schwieriger wird es, dieses vollkommen von der Umgebung abzuschotten.

Viele Hoffnungen ruhen daher auf einer neuen Art von Quantenbit – sogenannten topologischen Qubits. Der Ansatz wird von mehreren Forschungsgruppen und auch Firmen wie Microsoft verfolgt. Diese Art von Qubits ist topologisch geschützt. Die spezielle geometrische Ausrichtung der Stromleiter und spezielle elektronische Materialeigenschaften sorgen dafür, dass die Quanteninformation erhalten bleibt. Topologische Qubits gelten daher als besonders robust und weitgehend immun gegenüber äußeren Störquellen. Gleichzeitig scheinen mit ihnen schnelle Schaltzeiten machbar, die mit denen von konventionellen supraleitenden Qubits vergleichbar sind, wie sie auch von Google und IBM in heutigen Quantenprozessoren verwendet werden.

Noch ist allerdings nicht klar, ob es jemals gelingen wird, topologische Qubits tatsächlich herzustellen. Denn noch fehlt eine geeignete Materialbasis, um die speziellen Quasiteilchen, die dafür notwendig sind, zweifelsfrei experimentell zu erzeugen. Diese werden auch als Majorana-Zustände bezeichnet und konnten bislang nur in der Theorie, nicht aber experimentell, nachgewiesen werden. Hybrid-Qubits, wie sie die Arbeitsgruppe um Dr. Peter Schüffelgen am Peter Grünberg Institut (PGI-9) des Forschungszentrums Jülich nun erstmals realisiert hat, eröffnen dafür nun neue Möglichkeiten. Sie verfügen an entscheidenden Stellen bereits über topologische Materialien. Forschende erhalten damit eine neue experimentelle Plattform, um das Verhalten topologischer Materialen in hochempfindlichen Quantenschaltkreisen zu erproben.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Tobias Schmitt
Peter Grünberg Institut, Halbleiter-Nanoelektronik (PGI-9)
Tel.: +49 2461 61-85417
E-Mail: t.schmitt@fz-juelich.de

Dr. Peter Schüffelgen
Peter Grünberg Institut, Halbleiter-Nanoelektronik (PGI-9)
Tel.: +49 2461 61-85250
E-Mail: p.schueffelgen@fz-juelich.de

Prof. Dr. Detlev Grützmacher
Leiter des Peter Grünberg Instituts, Halbleiter-Nanoelektronik (PGI-9)
Tel.: +49 2461 61-2340
E-Mail: d.gruetzmacher@fz-juelich.de

Originalpublikation:

Integration of Topological Insulator Josephson Junctions in Superconducting Qubit Circuits

Tobias W. Schmitt, Malcolm R. Connolly, Michael Schleenvoigt, Chenlu Liu, Oscar Kennedy, José M. Chávez-Garcia, Abdur R. Jalil, Benjamin Bennemann, Stefan Trellenkamp, Florian Lentz, Elmar Neumann, Tobias Lindström, Sebastian E. de Graaf, Erwin Berenschot, Niels Tas, Gregor Mussler, Karl D. Petersson, Detlev Grützmacher, and Peter Schüffelgen

Nano Letters (13 April 2022), DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04055

Weitere Informationen:

https://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2022/2022-04-14-hy… Interview zum aktuellen Stand der Forschung und Pressemitteilung de Forschungszentrums Jülich