Quantenforschung am KIT

Stabilere Zustände für Qubits

In Quantencomputern sorgen Quantenbits (Qubits) dafür, dass Informationen in kürzerer Zeit verarbeitet werden können. Qubits verfügen dabei nicht nur über zwei Zustände, sondern auch über Zustände dazwischen. Einen solchen Zustand länger aufrechtzuerhalten ist allerdings schwierig und insbesondere von den Materialeigenschaften abhängig. Ein Forschungsteam des KIT hat nun Qubits erzeugt, die 100-mal sensitiver auf Materialdefekte sind.

Die Eigenschaften von Gralmonium-Qubits werden durch eine winzige Engstelle von nur 20 Nanometern dominiert, die wie eine Lupe für mikroskopische Materialdefekte wirkt. (Bild: Dennis Rieger, KIT)

Quantencomputer können große Datenmengen schneller verarbeiten, weil sie viele Rechenschritte parallel durchführen. Informationsträger des Quantencomputers sind Qubits. 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 her 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.

Superleitende Qubits

Forschende 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 wenigen 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 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 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.

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, Link: www.nature.com/articles/s41563-022-01417-9

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