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Quantenbit aus Hochtemperatursupraleiter

Der Tischquantencomputer in Reichweite?

13. Februar 2020, 14:22 Uhr   |  Heinz Arnold

Der Tischquantencomputer in Reichweite?
© Forschungszentrum Jülich / Dmitry Bratanov

Zur Herstellung der dünnen YBCO-Schichten nutzten Dr. Matvey Lyatti, Dr. Irina Gundareva und ihre Kollegen ein am Jülicher Institut entwickeltes Sputtersystem. Dabei werden Targetatome durch ein Hochdruck-Sauerstoffplasma gesputtert und in dünnen Schichten auf ein spezielles, auf hohe Temperatur erhitztes Substrat abgeschieden.

Hochtemperatursupraleiter könnten Quantencomputern den Weg aus den Laboren in reale Anwendungen öffnen.

Den Schlüssel dafür haben Wissenschaftler aus Jülich, Münster und Moskau eher zufällig entdeckt: Hochtemperatursupraleiter. Ihr großer Vorteil: Sie müssen nicht aufwändig bis nahe an den absoluten Nullpunkt gekühlt werden.

Dazu ein Blick auf das Funktionsprinzip von Quantencomputern: Sie arbeiten auf Basis von Quantenbits (Qubits). Werden sie nur wenig über dem absoluten Nullpunkt erwärmt, so verlieren sie ihre wesentlichen Quanteneigenschaften. Überlagerungszustände brechen beispielsweise zusammen, dann können sie nicht mehr rechnen. Es gibt verschiedene Wege, um Qubits praktisch zu realisieren. Es kann sich unter anderem um gefangene Ionen oder um supraleitende  Schaltkreise handeln. Weil sie aber auf -273 °C gekühlt werden müssen, ist die Kühlung aufwändig, teuer und nimmt viel Platz weg.

Einfachere Kühlung, mehr Qubits, exponentiell steigende Rechengeschwindigkeit

Die Forscher aus Jülich, Münster und Moskau fanden nun heraus, dass sich supraleitende Qubits möglicherweise nicht nur aus den üblichen Niedrigtemperatursupraleitern herstellen lassen, sondern auch aus Hochtemperatursupraleitern. Nicht -273 sondern „warme“ -181 °C wären dann ausreichend. Damit würde weitaus billigere Kühltechnik von der Größe eines kleinen Koffers ausreichen. Es ließe sich zudem eine größere Zahl solcher Qubits auf einem Chip unterbringen. Vor allem aber könnte sich die Rechengeschwindigkeit um Größenordnungen erhöhen, weil sich die Lebensdauer des angeregten Zustands auf mindestens 20 ms bei 5 K erhöht.

Eigentlich forschten die Wissenschaftler um Prof. Rafal Dunin-Borkowski, Direktor an den Jülicher Instituten Ernst Ruska-Centrum und Peter Grünberg Institut, sowie Jun.-Prof. Dr. Carsten Schuck von der Universität Münster an Komponenten für Einzel-Photonen-Detektoren, für die die geringere Kühlung ausreichen sollte. Solche Detektoren werden etwa für die Verschlüsselung von Daten mittels Quantenkryptographie benötigt. Schucks Arbeitsgruppe verfügt über umfangreiche Erfahrungen in der Entwicklung von Einzel-Photonen-Detektoren auf der Basis von Niedertemperatursupraleitern.

Die Basis des neuen Detektors sollte ein Nanodraht aus Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO) bilden, einem Material, das bereits unterhalb von vergleichsweise warmen −181,15 °C supraleitend ist. Jülich verfügt über langjährige Erfahrung in der Herstellung qualitativ hochwertiger Dünnschichten aus diesem Hochtemperatursupraleiter und besitzt dazu einzigartige, teils selbst entwickelte Geräte und Methoden. Aus den dünnen Schichten schnitten die Forscher in Jülich mit einem fokussierten Ionenstrahl die benötigten Drähte in Form.
 

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines YBCO-Nanodrahts, geformt durch zwei horizontale Schnitte (schwarz) in einem YBCO-Film (grau). Der Maßstabsbalken (weiß) entspricht 5 Tausendstel Millimeter.
© M. Lyatti et al./Nature Communications, unaltered. This image is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License. To view a copy of this license, visit http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines YBCO-Nanodrahts, geformt durch zwei horizontale Schnitte (schwarz) in einem YBCO-Film (grau). Der Maßstabsbalken (weiß) entspricht 5 Tausendstel Millimeter.

»Wir experimentierten mit Nanodrähten unterschiedlicher Breite, ließen Photonen darauf treffen und maßen den Widerstand, der dadurch im Supraleiter entsteht«, berichtet der Physiker Dr. Matvey Lyatti, der zunächst in Münster und später in Jülich an dem Projekt forschte. Auf diesem Prinzip basiert die Detektion der Photonen. »Doch die Ergebnisse bei Breiten unter 100 Nanometer entsprachen nicht unseren Erwartungen.«

»Wir konnten es selber kaum glauben«

Wie sich herausstellte, treten bei Temperaturen von 12 bis 13 Kelvin Quanteneffekte zutage: Der supraleitende Nanodraht nimmt nur noch ausgewählte Energiezustände an. Diese könnten zur Kodierung von Informationen genutzt werden. Bei konventionellen Quantenbits werden dafür mehrere Hundert Mal tiefere Temperaturen benötigt, die wesentlich aufwändiger zu erreichen sind.

»Unsere Ergebnisse waren so überraschend, dass wir es selbst kaum glauben konnten«, erinnert sich die Jülicher Physikerin Dr. Irina Gundareva. Doch die Messungen überzeugten letztlich auch die zunächst skeptischen Gutachter der nun erfolgten Veröffentlichung der Ergebnisse in Nature Communications.

Ein Tischquantencomputer scheint nicht unmöglich

Die Forscher werden ihre Arbeit an YBCO-Nanodrähten fortsetzen und planen, in den kommenden Jahren nanodrahtbasierte supraleitende Quantenschaltungen zu entwickeln, mit dem finalen Ziel, einen kompakten Tischquantencomputer möglich zu machen. Zudem verfolgen sie ihr Ziel von neuartigen supraleitenden Einzel-Photonen-Detektoren weiter, die von kompakten Kryokühlern gekühlt werden können. Denn auch hierfür erwiesen sich die untersuchten YBCO-Nanodrähte als geeignet und zeigten signifikante Vorteile gegenüber bestehender Technologie in Bezug auf die notwendige Kühltemperatur sowie die zeitliche Signalauflösung.

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