Fortschritt in der Fertigung komplexer Quantencomputer-Bauteile Neuartiger Prozess zur Strukturierung von Quantenmaterialien

Der „Jülich Prozess“ erlaubt es, Supraleiter und topologische Isolatoren im Ultrahochvakuum zu kombinieren und so komplexe Bauteile zu fertigen – ein Schritt zur Vereinfachung der Herstellung von Quantencomputern.

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Wenn man Quantenmaterialien in Computerchips implementiert, ermöglicht dies den Zugang zu grundlegend neuen Technologien. Um leistungsfähige und fehlerresistente Quantencomputer zu bauen, kann man beispielsweise topologische Isolatoren mit Supraleitern kombinieren. Dieser Prozessschritt ist mit einigen Herausforderungen verbunden, die nun von Forschern aus Jülich gelöst wurden.

Schon die alten Inka nutzten bei ihrer antiken Schrift „Quipu“ Knoten in Kordeln, um Informationen zu kodieren und zu speichern. Der Vorteil: Anders als Tinte auf einem Blatt Papier ist die Information, die in den Knoten gespeichert ist, robust gegen äußere zerstörerische Einflüsse, wie Wasser.

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Auch neuartige Quantencomputer sollen Informationen robust in Form von Knoten speichern können. Dafür wird allerdings keine Kordel verknotet, sondern so genannte Quasiteilchen in Raum und Zeit.

Knotenbildung gewollt

Was man dafür braucht, um solch eine Quanten-Knoten-Maschine zu bauen, sind neue Materialien, Quantenmaterialien. Experten sprechen von topologischen Isolatoren und Supraleitern. Die Verarbeitung dieser Materialien zu Bauteilen für Quantencomputer ist dabei eine Herausforderung an sich; vor allem, weil topologische Isolatoren sehr luftempfindlich sind.

Wissenschaftler in Jülich haben nun einen Prozess entwickelt, der es ermöglicht, Quantenmaterialien zu strukturieren, ohne dass diese während der Prozessierung der Luft ausgesetzt werden. Der so genannte Jülich Prozess erlaubt es dabei, Supraleiter und topologische Isolatoren im Ultrahochvakuum zu kombinieren und so komplexe Bauteile zu fertigen.

Erste Messungen in ihren Proben zeigen Hinweise auf „Majorana“-Zustände. Majoranas sind exakt die verheißungsvollen Quasiteilchen, die in den gezeigten Netzwerken aus topologischen Isolatoren und Supraleitern verknotet werden sollen, um robustes Quantencomputing zu ermöglichen. In einem nächsten Schritt werden die Forscher des Peter-Grünberg-Instituts, zusammen mit ihren Kollegen aus Aachen, den Niederlanden und China, ihre Netzwerke mit Auslese- und Steuerelektronik versehen, um die Quantenmaterialien für die Anwendung zugänglich zu machen.

Ihre Ergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ vom 29 July 2019 vorgestellt: „Selective area growth and stencil lithography for in situ fabricated quantum devices' by Peter Schüffelgen, Daniel Rosenbach, Chuan Li, Tobias W. Schmitt, Michael Schleenvoigt, Abdur R. Jalil, Sarah Schmitt, Jonas Kölzer, Meng Wang, Benjamin Bennemann, Umut Parlak, Lidia Kibkalo, Stefan Trellenkamp, Thomas Grap, Doris Meertens, Martina Luysberg, Gregor Mussler, Erwin Berenschot, Niels Tas, Alexander A. Golubov, Alexander Brinkman, Thomas Schäpers and Detlev Grützmacher

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