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Aus Hochtemperatursupraleitern Forscher finden neuartiges Material für Qubits

| Autor / Redakteur: Martin Hensel / Ulrike Ostler

Normalerweise benötigen Qubits in Quantenrechnern aufwändige und hochleistungsfähige Kühlsysteme. Forscher aus Jülich, Münster und Moskau haben nun einen alternativen Weg entdeckt, der eine deutlich einfachere Kühltechnik erlauben könnte.

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Dr. Irina Gundareva und Dr. Matvey Lyatti bei der Herstellung des YBCO-Nanodrahts.
Dr. Irina Gundareva und Dr. Matvey Lyatti bei der Herstellung des YBCO-Nanodrahts.
(Bild: Forschungszentrum Jülich / Dmitry Bratanov)

Quantencomputer sollen in Zukunft bestimmte Kalkulationen schneller als die derzeit leistungsfähigsten Supercomputer lösen können. Mögliche Einsatzgebiete gäbe es viele: Von der optimierten Verkehrslenkung über das Design leistungsfähigerer Materialien bis hin zur Wirkstoffforschung für Medikamente. Doch bislang existieren Quantencomputer nur als Prototypen oder im Rahmen spezieller Anwendungen.

Eines der wesentlichen Probleme liegt in den Qubits. Dabei handelt es sich um die Bits der Quantenrechner. Sie bestehen zum Beispiel aus gefangenen Ionen oder supraleitenden Schaltkreisen. In jedem Fall sind aber aufwändige Kühlsysteme nötig, die Qubits auf rund minus 273 Grad Celsius abkühlen. Derartige Systeme sind größer als voluminöse Kühlschränke und kosten etwa den Gegenwert eines Einfamilienhauses.

Unverhoffte Erkenntnisse

Manchmal hilft bei solchen Hindernissen der Zufall einen Schritt weiter: Eigentlich forschten Wissenschaftler um Professor Rafal Dunin-Borkowski (Direktor Ernst Ruska-Centrum und Peter Grünberg Institut, Jülich) und Junior-Professor Dr. Carsten Schuck (Universität Münster) an Komponenten für Einzel-Photonen-Detektoren. Derartige Detektoren kommen bei der Datenverschlüsselung mittels Quantenkryptographie zum Einsatz.

Als Basis dafür sollte Nanodraht aus Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO) dienen, den die Forscher in Jülich selbst herstellen. Dieses Material ist bereits unterhalb von minus 181,15 Grad Celsius supraleitend – eine vergleichsweise „warme“ Temperatur. „Wir experimentierten mit Nanodrähten unterschiedlicher Breite, ließen Photonen darauf treffen und maßen den Widerstand, der dadurch im Supraleiter entsteht“, erklärt der Physiker Dr. Matvey Lyatti das Prinzip der Photonendetektion. „Doch die Ergebnisse bei Breiten unter 100 Nanometer entsprachen nicht unseren Erwartungen.“

Zufallsfund als Alternative

Es zeigte sich, dass bei 12 bis 13 Kelvin Quanteneffekte auftraten. Der supraleitende Nanodraht nimmt dabei nur noch ausgewählte Energiezustände an, die sich zur Kodierung von Informationen eignen. Bei konventionellen Quantenbits sind dazu drastisch tiefere Temperaturen erforderlich, die nur mit hohem Aufwand zu erzielen sind. Hochtemperatursupraleiter wie der YBCO-Nanodraht erlauben im Prinzip nicht nur eine wesentlich platzsparendere und billigere Kühltechnik, sondern auch eine höhere Anzahl an Qubits auf einem Chip nebst massiv gesteigerter Rechenperformance.

Die Ergebnisse der Messungen wurden von den Forschern nun im Fachmagazin Nature Communications veröffentlicht. Für die Zukunft planen die Wissenschaftler bereits die Entwicklung nanodrahtbasierter supraleitender Quantenschaltungen, um kompakte Tischquantencomputer zu ermöglichen.

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