Experiment unterstützt vielversprechenden Ansatz für robusteres Quantencomputing

Ein Ansatz, um Informationen im Quantencomputing weniger fehleranfällig speichern zu können, ist das sogenannte topologische Quantencomputing. Es setzt auf spezielle Quantenzustände, die gegenüber lokalen Störungen unempfindlicher sein sollen. Physiker*innen der Universität zu Köln haben nun in einem Materialsystem, das für diesen Ansatz als vielversprechend gilt, Quantenzustände beobachtet, deren Verhalten den theoretischen Vorhersagen entspricht. Ihre in Science Advances unter dem Titel „Tunneling spectroscopy of topological insulator Josephson junctions“ veröffentlichten Ergebnisse stützen ein theoretisches Modell dafür, wie Supraleitung mit der Oberfläche eines topologischen Isolators wechselwirkt.

Topologische Isolatoren sind Materialien, die im Inneren elektrisch isolierend sind, während ihre Oberfläche Strom leiten kann. Werden sie mit einem herkömmlichen Supraleiter kombiniert, könnten an ihrer Oberfläche spezielle Zustände entstehen, die eine besondere Form der Supraleitung ermöglichen: die topologische Supraleitung. Sie könnte den Weg zu sogenannten Majorana-Nullmoden ebnen – Quantenzuständen, die als mögliche Grundlage für topologische Quantenbits, kurz Qubits, erforscht werden. Diese Zustände experimentell nachzuweisen und gezielt zu kontrollieren, ist jedoch weiterhin eine Herausforderung.

Um das vorhergesagte Verhalten zu untersuchen, analysierten Dr. Jakob Schluck, M.Sc. Ella Nikodem und weitere Mitglieder des von Professor Dr. Yoichi Ando geleiteten Topological Matter Laboratory Cologne eine sogenannte Josephson-Kontaktstruktur. Sie besteht aus zwei Supraleitern, die durch einen Bereich verbunden sind, der selbst nicht supraleitend ist. Mithilfe der Tunnelspektroskopie untersuchten die Forschenden die Quantenzustände in diesem Kontakt und veränderten dabei die Phasendifferenz zwischen den beiden Supraleitern.

Das Team beobachtete hochtransmissive Andreev-Zustände. Sie entstehen, wenn Elektronen und Löcher an einem supraleitenden Kontakt miteinander wechselwirken. Die Zustände traten über einen breiten Bereich von Ladungsträgerdichten auf. Ihr Verhalten stimmt mit den Vorhersagen für Elektronen an der Oberfläche des topologischen Isolators überein. Bei angelegtem Magnetfeld fanden die Forschenden außerdem solche Zustände, die sich auf bestimmte Bereiche des Kontakts konzentrierten – ebenfalls im Einklang mit theoretischen Vorhersagen. „Zu verstehen, wie Supraleitung mit den besonderen elektronischen Eigenschaften topologischer Isolatoren zusammenwirkt, ist entscheidend, um ihr Potenzial für das topologische Quantencomputing einschätzen zu können“, sagt Professor Yoichi Ando.

Die experimentellen Ergebnisse stimmen sowohl mit theoretischen Vorhersagen auf Grundlage des 2008 von Liang Fu und Charles Kane vorgeschlagenen Modells als auch mit numerischen Simulationen der Arbeitsgruppe von Professor Dr. Fabian Hassler an der RWTH Aachen überein. „Es ist wirklich spannend zu sehen, wie gut unsere experimentellen Ergebnisse mit den theoretischen Vorhersagen übereinstimmen. Das stimmt uns im Hinblick auf künftige Anwendungen im Quantencomputing sehr zuversichtlich“, sagt Ella Nikodem.

Eine wichtige Frage ist allerdings noch offen: Durchlaufen die beobachteten Zustände tatsächlich die vorhergesagte Schließung und erneute Öffnung einer Energielücke? Ein solcher Vorgang könnte auf einen Übergang zur topologischen Supraleitung hindeuten. Dabei könnten bestimmte Quantenzustände vor lokalen Störungen geschützt sein. Dieser mögliche Schutz ist einer der Gründe, warum topologisches Quantencomputing als vielversprechender Weg zu robusteren Quantenbits gilt. Ob der vorhergesagte Übergang tatsächlich stattfindet, lässt sich mit den bisherigen Messungen noch nicht eindeutig feststellen. „Um den topologischen Phasenübergang in diesem System nachzuweisen, müssen wir die Energie- und Zeitauflösung unseres Experiments verbessern. Das ist einer der nächsten Schritte in der Forschung unserer Arbeitsgruppe“, erklärt Jakob Schluck.

An der Studie waren experimentell arbeitende Physiker der Universität zu Köln und theoretisch arbeitende Forschende der RWTH Aachen beteiligt. Beide Gruppen gehören zum Exzellenzcluster Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q), das 2019 im Rahmen der Exzellenzstrategie von Bund und Ländern eingerichtet wurde. ML4Q verbindet Forschende der Universitäten Köln, Aachen und Bonn sowie des Forschungszentrum Jülich, um die Grundlagenforschung zum Quantencomputing voranzutreiben.

Inhaltlicher Kontakt:
Professor Dr. Yoichi Ando
Institut für Experimentalphysik, Universität zu Köln
+49 221 470 3570
ando(at)ph2.uni-koeln(dot)de

Presse und Kommunikation:
Dr. Marian Barsoum
ML4Q Public Outreach Manager
+49 221 470 6392
marian.barsoum(at)uni-koeln(dot)de

Veröffentlichung:
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeg0687
DOI: 10.1126/sciadv.aeg0687