Schichtsupraleiter könnten ungewöhnliche Eigenschaften mit Potenzial für Quantencomputer aufweisen

Ein Team unter der Leitung von Forschern des California NanoSystems Institute der UCLA hat ein einzigartiges Material entwickelt, das auf einem klassischen Supraleiter basiert, also einer Substanz, die es Elektronen unter bestimmten Bedingungen, beispielsweise bei extrem niedrigen Temperaturen, widerstandslos passieren lässt. Das experimentelle Material zeigte Eigenschaften, die auf sein Potenzial für den Einsatz im Quantencomputing hinweisen, einer sich entwickelnden Technologie, deren Fähigkeiten die klassischer digitaler Computer übertreffen.

Der Artikel wird in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.

Herkömmliche Supraleiter versagen im Allgemeinen unter dem Einfluss von Magnetfeldern einer bestimmten Stärke. Das neue Material behielt seine supraleitenden Eigenschaften auch in einem Magnetfeld bei, das weit über der theoretischen Grenze eines herkömmlichen Supraleiters lag. Das Team maß außerdem, wie viel elektrischem Strom das neue Material standhalten kann, bevor es die Supraleitung unterbricht, indem es Strom in eine Richtung und dann in die entgegengesetzte Richtung anlegte. Die Forscher fanden heraus, dass eine Richtung einen deutlich höheren Strom ermöglichte als die andere. Dies wird oft als supraleitender Diodeneffekt bezeichnet. Andererseits würden herkömmliche Supraleiter bei gleichem Strom in beide Richtungen ihre Eigenschaft des Nullwiderstands verlieren.

Quantencomputer arbeiten nach kontraintuitiven Regeln, die die Interaktion subatomarer Teilchen bestimmen. Die grundlegende Informationseinheit im Quantencomputing, das Qubit, kann eine Vielzahl von Werten haben. Das Bit, die grundlegende Informationseinheit im klassischen Rechnen, kann nur einen von zwei Werten haben.

Quantencomputer könnten sicherlich Berechnungen durchführen, die herkömmliche Computer nicht können, aber die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen und es müssen noch Hürden überwunden werden, bevor ihr Versprechen Wirklichkeit werden kann. Eines dieser Hindernisse ist die Zerbrechlichkeit des Qubits. Geringe Änderungen der Bedingungen können dazu führen, dass Qubits ihre Quanteneigenschaften verlieren, die nur wenige Millionstelsekunden anhalten.

Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass ein unkonventioneller Supraleitertyp, ein sogenannter chiraler Supraleiter, dazu beitragen könnte, die Fähigkeit von Qubits zu verbessern, ihre Präzision bei der Ausführung der Schritte eines Programms beizubehalten.

Sowohl chirale als auch konventionelle Supraleiter hängen von Quantenphänomenen ab. Elektronenpaare verbinden sich über eine Distanz in einem Zustand, der als Verschränkung bezeichnet wird und den Eigenschaften der Elektronen bestimmte Regeln auferlegt. Um diese Regeln einzuhalten, bewegen sich verschränkte Elektronen in herkömmlichen Supraleitern in entgegengesetzte Richtungen und rotieren in entgegengesetzte Richtungen. In chiralen Supraleitern können sich verschränkte Elektronen in die gleiche Richtung drehen und müssen Regeln befolgen, die die Beziehung zwischen ihren Bewegungen äußerst komplex machen, was möglicherweise neue Möglichkeiten zur maßgeschneiderten Steuerung des Stromflusses oder der Informationsverarbeitung eröffnet.

Aufgrund dieses Kontrasts weist die Elektronenaktivität in klassischen Supraleitern Symmetrien auf, die in chiralen Supraleitern gebrochen sind und den Fluss in die eine Richtung statt in die andere begünstigen, wie man am Effekt supraleitender Dioden sieht. Heutzutage sind nur wenige Verbindungen Kandidaten für chirale Supraleitung, und sie sind äußerst selten. In der aktuellen Studie fanden die Forscher einen Weg, ihr Material so anzupassen, dass ein herkömmlicher Supraleiter wie ein chiraler Supraleiter wirkt.

Das von der UCLA geleitete Team schuf ein Netzwerk mit abwechselnden Schichten. Eine Schicht aus Tantaldisulfid, einem klassischen Supraleiter, war nur drei Atome dünn. Die nächste bestand aus einer „linksgängigen“ oder „rechtsgängigen“ Molekülschicht einer anderen Verbindung. Die Forscher testeten aus ihrem Array hergestellte winzige nanoskalige Geräte, um festzustellen, ob das Material die Eigenschaften eines chiralen Supraleiters aufwies.

Quantencomputing kann Innovationen wie narrensichere Cybersicherheit, superstarke künstliche Intelligenz und hochpräzise Simulationen von Phänomenen ermöglichen, die von der Wirkung von Medikamenten im Körper über die Fließfähigkeit des städtischen Verkehrs bis hin zu Schwankungen auf den Finanzmärkten reichen. Um diese Anwendungen zu erreichen, müssen Quantencomputer ihre Betriebsfähigkeit trotz möglicher Störungen durch fragile Qubits verbessern. Supraleitende Schaltkreise sind für viele Ansätze des Quantencomputings von grundlegender Bedeutung, und der supraleitende Diodeneffekt, der durch chirale Supraleiter erzielt wird, sollte für die Schaffung effizienterer und stabilerer Qubits nützlich sein.

Zusätzlich zu seiner Nützlichkeit für Quantencomputer könnte der supraleitende Diodeneffekt chiraler Supraleiter dazu führen, dass herkömmliche Elektronik- und Kommunikationstechnologien viel schneller arbeiten und gleichzeitig den Stromverbrauch minimieren. Diese Eigenschaften eignen sich besonders gut für spezielle Anwendungen wie Computer, die bei extrem niedrigen Temperaturen im Weltraum betrieben werden.

Da chirale Supraleiter so schwer zu finden sind, könnte ihre Herstellung aus leichter verfügbaren Zutaten, wie im neuen Hybridmaterial, das in dieser Studie beschrieben wird, dazu beitragen, das Potenzial des Quantencomputings zu erschließen und gleichzeitig die Elektronik von Geräten zu verbessern.