Von Quantenmaterialien zu Quantenelektronik 

In den letzten Jahren wurden verschiedene Systeme entwickelt, in denen starke Quanteneffekte beobachtet und kontrolliert werden können. Diese "zweite Quantenrevolution" hat unser Verständnis der grundlegenden Quantenphysik verändert und verspricht große technologische Fortschritte in den Bereichen Kommunikation, Sensorik und Computertechnik in der Zukunft.

Supraleitende Quantenschaltkreise sind besonders erfolgreiche Systeme in der Quantenelektronik, in denen makroskopische elektrische Schaltkreise die Quanteneigenschaften von Atomen simulieren können. Verschiedene "künstliche Atome" können durch unterschiedliche Anordnungen von elektrischen Schaltungselementen hergestellt werden, und die Größe dieser Schaltkreise (die 100.000-fache Größe von Atomen) bietet einen einfachen Zugang zur Kontrolle und Messung starker Quanteneffekte [1].

Gleichzeitig wurden in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte bei den Quantenmaterialien erzielt. Dies sind neuartige Materialien, die bemerkenswerte Phänomene aufweisen, welche nur durch starke Quanteneffekte erklärt werden können. Während diese Materialien ein großes Versprechen für neue Elektronik darstellen, insbesondere für die Quantentechnologie, konzentriert sich ein Großteil der bisherigen Arbeit auf das grundlegende Verständnis der Materialien selbst.

In meiner Gruppe namens Quanteninformation für Quantenmaterialien (QIQM) arbeiten wir an der Schnittstelle von Quantenelektronik und Quantenmaterialien. Unser Ziel ist es, die Stärken beider Bereiche zu kombinieren, indem wir Quantensysteme als Sensoren einsetzen, um neue Materialien zu erforschen, und die Eigenschaften von Quantenmaterialien nutzen, um neue Schaltkreise für die Quantentechnologie zu entwickeln.

Ein neuer Sensor

Eine besonders interessante Klasse von Quantenmaterialien sind unkonventionelle Supraleiter, die bemerkenswerte Eigenschaften aufweisen. Unter anderem zeigen sie ungewöhnlich hohe kritische Temperaturen für die Supraleitung, und sogar komplexe topologische Windungen der supraleitenden Struktur. Die zugrundeliegende mikroskopische Struktur unkonventioneller Supraleiter ist eine der größten offenen Fragen in der Physik der kondensierten Materie, und trotz jahrzehntelanger aktiver Forschung gibt es kein Modell, das die Supraleitung in diesen Materialien erklärt.

Wenn wir solche Materialien in einen supraleitenden Schaltkreis integrieren, können wir die Empfindlichkeit und Kontrolle des Schaltkreises als einzigartige Sonde für die supraleitende Struktur nutzen. Dies kann besonders nützlich sein, um „Knotenpunkte“, an denen die Supraleitung verschwindet, in der supraleitenden Struktur zu identifizieren. Die Identifikation dieser Knotenpunkte ist fundamental wichtig, da dies Aussagen über die Symmetrien in der mikroskopischen Struktur des supraleitenden Zustands erlaubt.

In einer kürzlich erschienenen Veröffentlichung wurde diese Technik zur Untersuchung einer Supraleiter-Ferromagnet-Doppelschicht verwendet. Obwohl dieses System bereits seit vielen Jahrzehnten untersucht wird, konnte mit dieser einzigartigen Messtechnik eine bisher unbekannte Eigenschaft festgestellt werden – eine zweifache Rotationssymmetrie in der Knotenstruktur [2]. Eine solche Symmetrie wird typischerweise mit so genannten "p-Wellen"-Supraleitern in Verbindung gebracht, welche wegen ihrer geschützten Quantenzustände schon lange gesucht, aber bisher noch nicht zweifelsfrei identifiziert wurden.

Ein neues Quantenbit

Kuprat-Materialien, die zu den bekanntesten unkonventionellen Supraleitern gehören, sind dafür bekannt, dass sie eine "d-Wellen"-Supraleiterordnung mit vierfacher Rotationssymmetrie aufweisen. Diese Materialien werden bereits seit Jahrzehnten erforscht, doch die jüngsten Fortschritte bei der Herstellung haben es ermöglicht, die Schichtstruktur dieser Materialien gezielt einzustellen. Durch die Steuerung des relativen Winkels zwischen verschiedenen aufeinander gestapelten Kupratschichten können neue supraleitende Materialien mit außergewöhnlichen Symmetrien geschaffen werden. Ein besonders interessanter Winkel ist 45°, bei dem die Richtung der maximalen Supraleitfähigkeit in einer Schicht dem Knotenpunkt der anderen Schicht mit verschwindender Supraleitung entspricht. Dieses blumenartige Muster führt zu einer neuen Art von Supraleiter, bei dem das Tunneln einzelner Teilchen zwischen den Schichten verboten ist und nur Teilchenpaare zusammen tunneln können.

Durch die Kombination dieser verdrehten Kuprat-Schichten mit einem supraleitenden Mikrowellenschaltkreis können wir eine neue Art von Quantenbit ("Qubit“) mit deutlich verbesserter Leistung im Vergleich zu bestehenden Designs auf Basis von konventionellen Supraleitern schaffen. Insbesondere schaffen die besonderen Tunneleigenschaften Quantenzustände, die völlig unempfindlich gegenüber dem Rauschen im elektrischen Feld sind. Dieses allgegenwärtige Rauschen ist der limitierende Faktor in der Kontrolle und Skalierung typischer "Transmon"-Qubits, die von den großen Quantencomputerfirmen wie Google, IBM usw. verwendet werden. Unser neuer hybrider Quantenschaltkreis, den wir Flowermon [3] nennen, kann die im Bereich des Quantencomputings verwendete Hardware erheblich verbessern. Darüber hinaus ist er ein konkretes Beispiel, das das enorme Potenzial unkonventioneller Supraleiter und Quantenmaterialien für die Implementierung einer neuen Klasse von Quantenelektronik zeigt.

Literaturhinweise