Handliche Quantencomputer
Quantenbits auf Basis topologischer Isolatoren könnten Quantencomputer im Taschenformat ermöglichen.
Ein Quantencomputer, gerade mal so groß wie ein Smartphone – wie das Realität werden könnte, erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). Vojislav Krstić widmet sich dafür mit seinem Forschungsteam der Entwicklung von Quantenbits (Qubits), die auf Basis topologischer Isolatoren arbeiten – einer Materialklasse, die in den vergangenen Jahren wegen ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften zunehmend in den Fokus der Forschung gerückt ist. Das zukunftsweisende Projekt wird nun mit über 900.000 Euro gefördert.
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Vom medizinischen Bereich bis zur künstlichen Intelligenz (KI) könnten alltagstaugliche Quantencomputer viele Prozesse um ein Vielfaches beschleunigen. Doch die bisherigen Modelle haben einen entscheidenden Haken: Sie funktionieren nur bei extrem niedrigen Temperaturen. „Das liegt an den Quantenbits, auch Qubits genannt, die den Computer steuern und dabei mehrere Zustände gleichzeitig annehmen können. Mit diesen Qubits können Quantencomputer große Rechenleistungen erzielen. Die gängigen Qubits funktionieren allerdings erst knapp über dem absoluten Nullpunkt, das sind ungefähr -273 Grad Celsius“, erklärt Krstić vom Institut für Physik der Kondensierten Materie. Deshalb müssen Quantencomputer momentan noch aufwändig und mit großen Anlagen gekühlt werden. „Um Quantencomputer in den Alltag zu integrieren, müssen wir elektrisch adressierbare Qubits finden, die auch bei höheren Temperaturen stabil arbeiten“, sagt Krstić. Das würde nicht nur die Geräte kleiner und erschwinglicher machen, sondern auch ihren Energieverbrauch bedeutend reduzieren.
Im Fokus des Forschungsprojekts stehen deshalb topologische Isolatoren: eine Materialklasse, der äußere Einflüsse nichts ausmachen und die Informationen deshalb besonders sicher übermitteln kann. Damit haben die topologischen Isolatoren auch das Potenzial, das Quantencomputing zu revolutionieren. Bisher wurden sie vor allem im makroskopischen, also mit dem Auge sichtbaren, Maßstab untersucht. „Wenn wir die Struktur dieser Materialien nun auf wenige Nanometer verkleinern und gezielt Symmetrien brechen, verändern sich ihre energetischen Eigenschaften und wir könnten sie als Qubits nutzen“, erklärt Krstić. Dabei müssen die Forscher die Symmetrien des Materials so brechen, dass es stabil bleibt und gleichzeitig die gewünschten Eigenschaften für den Einsatz in Quantencomputern aufweist. „Das ist eine große Herausforderung. Sollten wir aber auf diesem Weg ein Qubit finden, das bei höheren Temperaturen funktioniert, eröffnen sich neue Möglichkeiten. Beispielsweise könnten Quantencomputer in Autos verbaut werden, die die Energiezufuhr regulieren.“
Das Forschungsprojekt an der FAU wird über zwei Jahre hinweg gefördert und soll dazu beitragen, die internationale Forschung im Bereich Quantencomputing entscheidend voranzubringen. Dabei fließen die Fördermittel vor allem in das Personal und in spezielle Geräte und Verbrauchsmaterial. Die Arbeit von Krstić und seinem Team könnte nicht nur die Technik revolutionieren, sondern auch zu einem nachhaltigeren Umgang mit Ressourcen beitragen – ein entscheidender Vorteil in Zeiten des Klimawandels. Denn Quantencomputer, die weniger aufwendige Kühlung benötigen, wären nicht nur umweltfreundlicher, sondern könnten auch überall eingesetzt werden – vom Laptop auf dem Schreibtisch bis hin zur KI im medizinischen Bereich.
FAU / DE
