Die Welt der Quantenphysik bricht neue Wege auf! Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben mit Unterstützung von Wissenschaftler:innen der Universität Ulm und Antwerpen erstaunliche Entdeckungen zu magnetischen Wirbeln in Supraleitern gemacht. In einer Studie, die in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde, wird gezeigt, dass diese Wirbel, die bisher als störend galten, in gewissen Materialien als kontrollierbare Quantensysteme agieren können. Wie uni-ulm.de berichtet, kann die Kontrolle dieser Wirbel als vielversprechender Schritt in der Entwicklung neuartiger Qubits betrachtet werden.
Supraleiter haben die Fähigkeit, elektrischen Strom ohne Widerstand zu leiten und drücken Magnetfelder bis zu einem kritischen Punkt zurück. Übersteigt ein Magnetfeld diesen Punkt, dringen die Magnetfelder in Form von quantisierten Wirbeln in das Material ein. Bisher störten diese Wirbel den supraleitenden Zustand und galten als unerwünscht. Doch die aktuelle Forschung zeigt, dass in granularen Aluminiumschichten, die aus vielen kleinen Körnern bestehen, die Wirbel in stabile, verlustarme Zustände übergehen und wie künstliche Atome agieren können.
Neue Möglichkeiten für Quantencomputing
Die entdeckten Vortex-Qubits könnten eine Schlüsselrolle in der Quanteninformationstechnologie spielen. Diese besonderen Qubits nutzen die intrinsischen Eigenschaften des Materials und zeigen Kohärenz- und Relaxationszeiten im Mikrosekundenbereich, ähnlich wie etablierte supraleitende Qubit-Systeme. Laut clearskyscience.com gibt es Anzeichen dafür, dass diese wirbelbasierten Zustände Hunderte von Mikrosekunden ihre Energie halten können, was für die Speicherung von Quanteninformation essenziell ist.
Ein Mikrowellenresonator aus granularen Aluminium wurde verwendet, um diese Wirbel zu erzeugen und zu steuern. Durch das Anlegen eines Magnetfeldes und die anschließende Kühlung des Resonators können Übergänge zwischen den klar unterscheidbaren Zuständen der Wirbel angeregt und quantenmechanisch ausgelesen werden. Dies eröffnet spannende Blickwinkel für zukünftige Experimente, die möglicherweise ähnliche wirbelbasierte Qubits in unterschiedlichen Materialien realisieren könnten.
Praxisnah und zukunftsorientiert
Die Anwendungsbereiche dieser Technologie sind vielseitig. Neben der Nutzung in Quantencomputern könnten sie auch als empfindliche Sonden dienen, um mikroskopische Eigenschaften von Supraleitern zu analysieren. Die Studie zeigt, wie unerwünschte physikalische Effekte unter bestimmten Bedingungen in nützliche quantenmechanische Ressourcen umgewandelt werden können. Die Forscher:innen um Professor Joachim Ankerhold haben mit ihren Erkenntnissen nicht nur neue Perspektiven für die Quantenphysik eröffnet, sondern auch einen potenziellen Grundstein für verbesserte Supraleitertechnologien gelegt.
Parallel zu diesen Entwicklungen arbeitet das Fraunhofer EMFT an der Verbesserung von supraleitenden Qubits, indem es Energierelaxationszeiten von bis zu 200 µs nachweist. Wichtige Elemente wie Mikrowellenresonatoren und Josephson-Junctions stehen dabei im Fokus, um die Materialqualität und die Herstellungsprozesse weiter zu optimieren. Der Fortschritt in der Kombination von Halbleiterfertigungsexpertise mit Quantenbauelementdesign zeigt, dass der Weg zu industrietauglichen Quantencomputern in greifbare Nähe rückt. Wie auf emft.fraunhofer.de beschrieben, ist die Vision eines skalierbaren und verlässlichen Quantencomputers nun mehr als ein fernes Ziel.
Insgesamt zeigen die aktuellen Entwicklungen, dass wir uns in einer spannenden Phase der Quantenforschung befinden, in der neue Technologien Form annehmen und das Potenzial haben, die Welt der Informatik grundlegend zu verändern.