Topologie ist die Mathematik der Form. Ein topologischer Supraleiter nutzt einen delokalisierten Zustand eines Elektrons oder Lochs (ein Loch verhält sich wie ein Elektron mit positiver Ladung), um Quanteninformationen zu übertragen und Daten auf robuste Weise zu verarbeiten.
Die Forscher berichten, dass sie trigonales Tellur mit einem Oberflächenzustands-Supraleiter kombiniert haben, der an der Oberfläche eines dünnen Goldfilms erzeugt wird. Trigonales Tellur ist ein chirales Material, was bedeutet, dass es nicht mit seinem Spiegelbild überlagert werden kann, so wie unsere linke und rechte Hand. Trigonales Tellur ist auch nicht magnetisch. Dennoch beobachteten die Forscher Quantenzustände an der Grenzfläche, die eine wohldefinierte Spinpolarisation aufweisen. Die Spinpolarisation ermöglicht es, die Anregungen für die Erzeugung eines Spin-Quantenbits – oder Qubits– zu nutzen.
„Indem wir eine sehr saubere Grenzfläche zwischen dem chiralen Material und Gold geschaffen haben, haben wir einen zweidimensionalen Grenzflächensupraleiter entwickelt“, sagt Wei, ein außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie. „Der Grenzflächensupraleiter ist einzigartig, da er in einer Umgebung lebt, in der die Energie des Spins sechsmal höher ist als in herkömmlichen Supraleitern.“
Übergang in Triplett-Supraleiter
Die Forscher beobachteten, dass der Grenzflächensupraleiter unter einem Magnetfeld einen Übergang durchläuft und bei einem hohen Feld robuster wird als bei einem niedrigen Feld, was auf einen Übergang in einen „Triplett-Supraleiter“ hindeutet, der unter einem Magnetfeld stabiler ist.
In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des National Institute of Standards and Technology konnten die Forscher außerdem zeigen, dass ein solcher Supraleiter, der eine Heterostruktur aus Gold- und Niob-Dünnschichten aufweist, auf natürliche Weise Dekohärenzquellen unterdrückt, die von Materialdefekten wie Nioboxiden herrühren, die ein häufiges Problem bei Niob-Supraleitern darstellen. Sie zeigten, dass der Supraleiter zu hochwertigen, verlustarmen Mikrowellenresonatoren mit einem Qualitätsfaktor von 1 Million verarbeitet werden kann.
Nach Angaben des multinationalen Technologieunternehmens IBM findet die neue Technologie Anwendung in der Quanteninformatik, einem Bereich, der sich die Quantenmechanik zunutze macht, um komplexe Probleme zu lösen, die klassische Computer oder Supercomputer nicht oder nicht schnell genug lösen können.
Dünnere Materialien verwendet
„Wir haben dies mit Materialien erreicht, die eine Größenordnung dünner sind als die, die normalerweise in der Quantencomputerindustrie verwendet werden“, so Wei. „Die verlustarmen Mikrowellenresonatoren sind entscheidende Komponenten des Quantencomputers und könnten zu verlustarmen supraleitenden Qubits führen. Die größte Herausforderung beim Quantencomputing besteht darin, die Dekohärenz oder den Verlust von Quanteninformationen in einem Qubit-System zu reduzieren.“
Dekohärenz tritt auf, wenn ein Quantensystem mit seiner Umgebung interagiert, was dazu führt, dass die Informationen des Systems mit der Umgebung vermischt werden. Die Dekohärenz stellt eine Herausforderung für die Realisierung von Quantencomputern dar.
Im Gegensatz zu früheren Methoden, die magnetische Materialien erfordern, verwendet der neue Ansatz der Forscher nichtmagnetische Materialien für eine sauberere Schnittstelle. „Unser Material könnte ein vielversprechender Kandidat für die Entwicklung skalierbarer und zuverlässigerer Quantencomputerkomponenten sein“, so Wei. Wei wurde bei der Forschung von seinen Doktoranden an der UCR unterstützt. Die Technologie wurde dem UCR-Büro für Technologiepartnerschaften offengelegt und ein vorläufiges Patent wurde angemeldet.
Dieser Artikel wurde mit Deepl aus dem Englischen übersetzt.
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