New Nanodraht-Qubits könnten Quanten-Computing ermöglichen
Halbleitermaterialien sind die Grundlage von modernen elektronischen Geräten. Eine Sache, die Halbleiter so vielseitig macht, ist die Möglichkeit, den Fluss der Ladung mit elektrischen Feldern zu steuern. Im Rahmen des EU-geförderten Projekts HYWIRE (Hybrid nanowire devices for quantum information processing) verwendeten Wissenschaftler elektrische Felder, um supraleitende Qubit-Geräte mit Josephson-Kontakt-Elementen aus Halbleiter-Nanodrahtmaterialien effektiv zu steuern. Josephson-Übergänge bestehen typischerweise aus Aluminium (Al), supraleitenden Drähten und einer Al-Oxidbarriere. Allerdings ersetzten die Wissenschaftler den Al/Al-Oxid-Übergang mit einem InAs-Nanodraht (schwache Verbindung) zur Kopplung zweier Halbleiter. Um den Nanodraht zu verbinden, verwendete das Team supraleitende Al-Kontakte, die sorgfältig mittels Molekularstrahlepitaxie gezüchtet wurden, was unberührte Supraleiter-Halbleiter-Kontakte ermöglichte. Durch die Anwendung sorgfältig kontrollierter Spannungen an die Qubit-Gate-Elektroden konnten die Wissenschaftler die Qubit-Zustände genau manipulieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen supraleitenden Transmon-Qubits, die mithilfe großer On-Chip-Ströme gesteuert werden, verwendet dieses Gate-gesteuerte Transmon, oder Gatemon, Spannungen mit geringer Verlustleistung. Da supraleitende Qubit-Geräte typischerweise bei extrem niedrigen Temperaturen in der Größenordnung von einem Millikelvin arbeiten, könnten Qubits mit einer leistungsarmen Steuerung die Herausforderung der Skalierung auf größere Architekturen vereinfachen. Im Laufe des Projekts testete das Team zwei Generationen von Geräten. In der verbesserten zweiten Generation der Geräte zeigten die Wissenschaftler, dass fragile Quanteninformation für bis zu 10 µs gehalten werden konnten. Das Team führte auch Experimente mit einer Gatemon-Schaltung mit zwei Qubits durch und demonstrierten das Potential von Gatemon-Qubits für die Schaffung von skalierbaren Quantenprozessoren. Zusätzlich zur Entwicklung dieser neuen Art von Qubits entwickelte das Projektteam ein Set-up für das Aufnehmen und präzise Platzieren von einzelnen Nanodrähten, um so eine kontrollierte Montage von Nanodraht-Geräten zu ermöglichen. Die Projektergebnisse wurden in Peer-Review-Zeitschriften veröffentlicht und könnten zu neuen Fortschritten auf dem Gebiet des Quanten-Computing führen.
Schlüsselbegriffe
Nanodraht, Quantencomputing, Qubits, Spin-Bahn-Wechselwirkung, HYWIRE, Gatemon
