KIT: Stabilere Zustände für Quantencomputer

Quantencomputer gelten als die Rechner der Zukunft. A und O sind dabei Quantenbits (Qubits), die kleinste Recheneinheit von Quantencomputern. Da sie nicht nur über zwei Zustände verfügen, sondern auch über Zustände dazwischen, verarbeiten Qubits mehr Informationen in kürzerer Zeit. Einen solchen Zustand länger aufrechtzuerhalten, ist allerdings schwierig und insbesondere von den Materialeigenschaften abhängig. Ein Forschungsteam des KIT erzeugte jetzt Qubits, die 100-mal sensitiver auf Materialdefekte sind – ein entscheidender Schritt, um diese auszumerzen.

Quantencomputer können grosse Datenmengen schneller verarbeiten, weil sie viele Rechenschritte parallel durchführen. Informationsträger des Quantencomputers ist das Qubit. Bei Qubits gibt es nicht nur die Informationen "0" und "1", sondern auch Werte dazwischen. Die Schwierigkeit liegt im Moment allerdings noch darin, Qubits herzustellen, die klein genug sind und sich schnell genug schalten lassen, um Quantenkalkulationen auszuführen. Als vielversprechende Option gelten hier supraleitende Schaltungen. Supraleiter sind Materialien, die bei extrem niedrigen Temperaturen keinen elektrischen Widerstand aufweisen und daher elektrischen Strom verlustfrei leiten. Dies ist entscheidend, um den Quantenzustand der Qubits zu erhalten und sie effizient miteinander zu verbinden.

Gralmonium-Qubits: Supraleitend und sensitiv
Forschenden des KIT ist es gelungen, neuartige und unkonventionelle supraleitende Qubits zu entwickeln. «Das Herzstück eines supraleitenden Qubits ist ein sogenannter Josephson-Kontakt, der zur Speicherung von Quanteninformation dient. Genau an dieser Stelle haben wir eine entscheidende Veränderung vorgenommen», so Dr. Ioan M. Pop vom Institut für QuantenMaterialien und Technologien des KIT (IQMT). In der Regel werden solche Josephson-Kontakte für supraleitende Quantenbits erzeugt, indem zwei Aluminiumschichten durch eine dünne Oxid-Barriere getrennt werden. «Im Gegensatz dazu verwenden wir für unsere Qubits nur eine einzelne Schicht aus 'granularem Aluminium', einem Supraleiter aus wenige Nanometer grossen Aluminiumkörnern, die in einer Oxid-Matrix eingebettet sind», sagt Pop. Dadurch bildet das Material von sich aus ein dreidimensionales Netzwerk aus Josephson-Kontakten. «Spannenderweise werden die gesamten Eigenschaften unseres Qubits durch eine winzige Engstelle von nur 20 Nanometern dominiert. Dadurch wirkt es wie eine Lupe für mikroskopische Materialdefekte in supraleitenden Qubits und bietet eine vielversprechende Perspektive für deren Verbesserung», ergänzt Simon Günzler vom IQMT.

Die vom Team entwickelten Qubits sind eine fundamentale Weiterentwicklung eines bereits zuvor erprobten Ansatzes mit sogenannten Fluxonium-Qubits. Bei dieser Vorgängerversion wurden Teile aus granularem Aluminium und andere Teile konventionell aus Aluminium hergestellt. Bei der aktuellen Arbeit gingen die Forschenden noch den entscheidenden Schritt weiter und stellten die kompletten Qubits aus granularem Aluminium her. «Als würde man einen Quantenschaltkreis einfach aus einem Metallfilm herausschneiden. Dadurch ergeben sich ganz neue Möglichkeiten für die industrielle Herstellung mit Ätzverfahren und erweiterte Einsatzbereiche für die Qubits, zum Beispiel in starken Magnetfeldern», so Dennis Rieger vom Physikalischen Institut des KIT.

Diese Erfindung haben die Autoren auch durch ein europäisches Patent geschützt. Originalpublikation: D. Rieger, S. Günzler, M. Spiecker, P. Paluch, P. Winkel, L. Hahn, J. K. Hohmann, A. Bacher, W. Wernsdorfer, and I. M. Pop: Granular Aluminium Nanojunction Fluxonium Qubit. Nature Materials, 2022. DOI: 10.1038/s41563-022-01417-9