Die Entwicklung eines Quantencomputers, der Probleme lösen kann, die klassische Computer nur mit großem Aufwand oder gar nicht bewältigen können – dieses Ziel verfolgen derzeit immer mehr Forschungsteams weltweit. Der Grund: Quanteneffekte, die ihren Ursprung in der Welt der kleinsten Teilchen und Strukturen haben, ermöglichen viele neue technologische Anwendungen. Sogenannte Supraleiter, die die Verarbeitung von Informationen und Signalen nach den Gesetzen der Quantenmechanik erlauben, gelten als vielversprechende Komponenten für die Realisierung von Quantencomputern. Ein Problem supraleitender Nanostrukturen besteht jedoch darin, dass sie nur bei sehr niedrigen Temperaturen funktionieren und daher schwer in praktischen Anwendungen eingesetzt werden können.
Forscher der Universität Münster und des Forschungszentrums Jülich haben nun erstmals die sogenannte Energiequantisierung in Nanodrähten aus Hochtemperatursupraleitern demonstriert – also Supraleitern, bei denen die Temperatur unterhalb derjenigen liegt, bei der quantenmechanische Effekte dominieren. Der supraleitende Nanodraht nimmt dann nur ausgewählte Energiezustände an, die zur Informationskodierung genutzt werden können. In den Hochtemperatursupraleitern konnten die Forscher zudem erstmals die Absorption eines einzelnen Photons beobachten, eines Lichtteilchens, das der Informationsübertragung dient.
„Einerseits können unsere Ergebnisse dazu beitragen, dass in Zukunft deutlich vereinfachte Kühltechnologien in Quantentechnologien zum Einsatz kommen. Andererseits liefern sie uns völlig neue Erkenntnisse über die Prozesse, die supraleitende Zustände und deren Dynamik bestimmen und die wir bisher noch nicht vollständig verstanden haben“, betont Studienleiter Jun.-Prof. Carsten Schuck vom Institut für Physik der Universität Münster. Die Ergebnisse könnten daher für die Entwicklung neuartiger Computertechnologien relevant sein. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Die Wissenschaftler verwendeten Supraleiter aus den Elementen Yttrium, Barium, Kupferoxid und Sauerstoff (YBCO), aus denen sie wenige Nanometer dünne Drähte herstellten. Wenn diese Strukturen elektrischen Strom leiten, treten physikalische Dynamiken auf, sogenannte Phasensprünge. Im Fall von YBCO-Nanodrähten verursachen Schwankungen der Ladungsträgerdichte Variationen im Suprastrom. Die Forscher untersuchten die Prozesse in den Nanodrähten bei Temperaturen unter 20 Kelvin (entspricht minus 253 Grad Celsius). In Kombination mit Modellrechnungen wiesen sie eine Quantisierung der Energiezustände in den Nanodrähten nach. Die Temperatur, bei der die Drähte in den Quantenzustand übergingen, lag bei 12 bis 13 Kelvin – eine Temperatur, die um ein Vielfaches höher ist als die für die üblicherweise verwendeten Materialien erforderliche Temperatur. Dies ermöglichte es den Wissenschaftlern, Resonatoren – also auf bestimmte Frequenzen abgestimmte Schwingsysteme – mit deutlich längerer Lebensdauer herzustellen und die quantenmechanischen Zustände länger aufrechtzuerhalten. Dies ist eine Voraussetzung für die langfristige Entwicklung immer leistungsfähigerer Quantencomputer.
Weitere wichtige Komponenten für die Entwicklung von Quantentechnologien, aber potenziell auch für die medizinische Diagnostik, sind Detektoren, die sogar einzelne Photonen erfassen können. Die Forschungsgruppe von Carsten Schuck an der Universität Münster arbeitet seit mehreren Jahren an der Entwicklung solcher Einzelphotonendetektoren auf Basis von Supraleitern. Was bei tiefen Temperaturen bereits gut funktioniert, versuchen Wissenschaftler weltweit seit über einem Jahrzehnt mit Hochtemperatur-Supraleitern zu erreichen. In den für die Studie verwendeten YBCO-Nanodrähten ist dieser Versuch nun erstmals gelungen. „Unsere neuen Erkenntnisse ebnen den Weg für neue experimentell überprüfbare theoretische Beschreibungen und technologische Entwicklungen“, sagt Koautor Martin Wolff aus der Arbeitsgruppe von Carsten Schuck.
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Veröffentlichungsdatum: 07.04.2020