Fortschritte in der Quanteninformatik durch neue QuBits mit Löchern

EU-finanzierte Forschende haben ein aussichtsreiches neues QuBit-System geschaffen, das auf der Wechselwirkung der Spins von Löchern basiert, die auf eine nanogroße Silizium-Germanium-Quantenvorrichtung beschränkt sind.

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© Yurchanka Siarhei, Shutterstock

Die Rechenkapazitäten heutiger Supercomputer sind kaum zu fassen, doch Quantencomputer sollen sogar die leistungsstärksten dieser Maschinen noch übertreffen. Aufgrund ihrer enormen Rechenkapazitäten und Geschwindigkeiten werden Quantencomputer Probleme lösen können, die derzeit kein Prozessor bewältigen kann.

Das Geheimnis der Rechenleistung von Quantencomputern liegt in der Verwendung von Quantenbits oder QuBits – subatomare Teilchen, welche die Grundeinheiten von Quanteninformationen bilden. Forschende haben jetzt mit der Unterstützung durch die EU-finanzierten Projekte MaGnum und microSPIRE ein potenzielles neues System für zuverlässige QuBits unter Verwendung des Spins sogenannter Löcher entwickelt. Die Schaffung dieser QuBits ist in deren Studie beschrieben, die in der Fachzeitschrift „Nature Materials“ veröffentlicht wurde.

Löcher mit Spins

Ein Loch ist das Fehlen eines Elektrons in einem Feststoff und trägt daher eine positive Ladung. Obgleich Löcher keine realen Teilchen sind, haben sie viele Eigenschaften mit Elektronen gemein. Sie interagieren, wenn sie sich einander annähern, und sie besitzen zudem quantenmechanische Spin-Eigenschaften.

Löcher in Stoffen wie dem nichtmetallischen Germanium sind exzellente Kandidaten für Spin-QuBits. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickelten eine Nanostruktur aus verschiedenen Germanium- und Silizium-Schichten, um Löcher auf eine praktische zweidimensionale Region zu beschränken. Der leitende Autor der Studie Daniel Jirovec vom MaGnum-Projektkoordinator Institute of Science and Technology Austria erläuterte die Zusammenarbeit mit dem Laboratory for Nanostructure Epitaxy and Spintronics on Silicon (L-NESS) beim microSPIRE-Projektkoordinator Polytechnikum Mailand. „Unsere Kolleginnen und Kollegen des L-NESS schichteten mehrere verschiedene, nur wenige Nanometer dicke Mischungen aus Silizium und Germanium übereinander. Hierdurch können wir die Löcher auf die Germanium-reiche Schicht in der Mitte beschränken“, erklärte Jirovec in einer Pressemitteilung, die auf „HPCwire“ veröffentlicht wurde. „Darüber hinaus haben wir mehrere winzige elektrische Drähte – sogenannte Gates – hinzugefügt, um die Bewegung von Löchern durch Anlegen elektrischer Spannung zu steuern. Die elektrisch positiv geladenen Löcher reagieren auf die elektrische Spannung und können innerhalb ihrer Schicht extrem präzise umherbewegt werden.“

Das Forschungsteam verwendete diese Technik, um zwei Löcher so anzunähern, dass ihre Spins interagieren und somit ein Spin-QuBit entsteht. Der QuBit aus den beiden interagierenden Loch-Spins konnte bedeutsamerweise mit einer Magnetfeldstärke von weniger als 10 Millitesla erzeugt werden – ein erheblich geringerer Wert als bei Magnetfeldern von anderen QuBit-Anordnungen. „Durch die Verwendung unserer geschichteten Germanium-Anordnung können wir die Magnetfeldstärke reduzieren und somit die Kombination unseres QuBit mit Superleitern ermöglichen, die üblicherweise durch starke Magnetfelder gehemmt sind“, erklärte Jirovec, als er auf die Bedeutung dieser Errungenschaft hinwies.

Das 2-jährige Projekt MaGnum (Majorana bound states in Ge/SiGe heterostructures) endete im März 2021. microSPIRE (micro-crystals Single Photon InfraREd detectors) endet im Oktober 2021.

Weitere Informationen:
MaGnum-Projekt
microSPIRE-Projektwebsite

Schlüsselbegriffe

MaGnum, microSPIRE, Loch-Spin, Quantum, Spin-QuBit, Germanium, Silizium, Magnetfeld