Material für Majorana-Fermionen

Eine neuartige, vermutlich überlegene Art von Quantenbits könnten topologische Quantenbits sein. Um Hinweise zu erhalten, wie diese sich erschaffen lassen, hat ein internationales Team von Forschern unter anderem Messungen an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am PSI durchgeführt. „Computerbits, die den Gesetzten der Quanten­mechanik folgen, lassen sich auf verschiedene Weise erreichen“, erklärt Niels Schröter, einer der Studienautoren. Er war bis April 2021 Forscher am PSI und wechselte dann ans Max-Planck-Institut für Mikro­struktur­physik in Halle, Deutschland. „Die meisten Arten von Qubits verlieren leider schnell ihre Information; man könnte sagen: Es sind vergessliche Qubits.“ Dafür gibt es zwar eine technische Lösung: Jedes Qubit wird durch ein System von zusätzlichen Qubits unterstützt, die auftretende Fehler korrigieren. Doch das bedeutet, dass die Zahl der insgesamt benötigten Qubits für einen einsatzfähigen Quanten­computer schnell in den Bereich der Millionen steigt.

„Der Ansatz von Microsoft, an dem wir nun mitarbeiten, ist ein ganz anderer“, so Schröter weiter. „Wir wollen helfen, eine neue Art Qubit zu erschaffen, die resistent sind gegenüber Informations­verlusten. Damit könnte man schon mit wenigen Qubits einen schlanken, funktionierenden Quanten­computer realisieren.“ Diese Resistenz erhoffen sich die Forscher von topologischen Quantenbits. Diese wären etwas völlig Neues, das bislang noch keine Forschungs­gruppe erschaffen konnte.

Topologische Materialien wurden durch den Physik-Nobelpreis im Jahr 2016 bekannt. Die Topologie ist ursprünglich ein Bereich der Mathematik, der unter anderem erforscht, wie sich geometrische Objekte verhalten, wenn sie verformt werden. Die hierfür entwickelte mathematische Sprache lässt sich aber auch auf andere physikalische Eigenschaften von Materialien übertragen. Quantenbits in topologischen Materialien wären dann topologische Qubits.

Bekannt ist, dass Schichtsysteme bestimmter Halbleiter und Supraleiter zu exotischen Elektronenzuständen führen könnten, die als solche topologische Qubits fungieren würden. Konkret kommen dafür ultradünne, kurze Drähte aus einem Halbleitermaterial in Betracht. Diese haben einen Durchmesser von nur 100 Nanometern und sind 1000 Nanometer lang. Die obere Hälfte der Drähte ist außen in Längsrichtung mit einer dünnen Schicht eines Supraleiters überzogen. Der restliche Bereich der Drähte ist nicht beschichtet, sodass sich dort eine natürliche Oxidschicht bildet. Computer­simulationen zur Optimierung dieser Bauteile sagen voraus, dass sich die entscheidenden quantenmechanischen Elektronenzustände nur an der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Supraleiter befinden und hingegen nicht zwischen dem Halbleiter und seiner Oxidschicht.

„Die kollektive, asymmetrische Verteilung der Elektronen, die in diesen Nanodrähten erzeugt wird, lässt sich physikalisch als Quasiteilchen beschreiben“, sagt Gabriel Aeppli, Leiter des Forschungsbereichs für Photonen­forschung am PSI und ebenfalls an der aktuellen Studie beteiligt. „Wenn nun geeignete Halbleiter- und Supraleiter­materialien gewählt werden, sollten sich aus diesen Elektronen an den Enden der Nanodrähte besondere Quasiteilchen namens Majorana-Fermionen bilden.“

Majorana-Fermionen sind topologische Zustände. Sie könnten also als Informationsträger, ergo als Quantenbits in einem Quantencomputer fungieren. „Rezepte, um Majorana-Fermionen zu erzeugen, haben Forschungs­gruppen weltweit schon im Laufe des letzten Jahrzehnts untersucht und verfeinert“, so Aeppli weiter. „Doch um bei diesem Vergleich zu bleiben: Trotzdem wussten wir nicht, in welchem Kochtopf uns dieses Rezept am besten gelingt.“

Ein zentrales Anliegen des aktuellen Forschungsprojekts war daher der Vergleich zweier „Kochtöpfe“. Die Forscher untersuchten zwei verschiedene Halbleiter und ihre natürliche Oxidschicht: einerseits Indiumarsenid und andererseits Indiumantimonid. An der SLS nutzten die Forscher winkel­aufgelöste Photo­elektronen­spektroskopie mittels weicher Röntgenstrahlung (SX-ARPES). Für die Interpretation der komplexen experimentellen Daten kam ein neuartiges Computermodell zum Einsatz, welches von der Gruppe um Noa Marom an der Carnegie Mellon Universität, USA, zusammen mit Vladimir Strocov vom PSI entwickelt wurde. „Die bisher verwendeten Computer­modelle führten auch zu einer unübersichtlich großen Anzahl von unrealistischen Ergebnissen. Mit unserer neuen Methode können wir nun aus allen Ergebnissen automatisch diejenigen herausfiltern, die physikalisch relevant sind, und wir können die Versuchsergebnisse gut interpretieren“, erklärt Strocov.

Durch ihre Kombination aus SX-ARPES-Experimenten und Computermodellen konnten die Forscher nun zeigen: Indium­antimonid hat unter seiner Oxidschicht eine besonders niedrige Elektronendichte. Dies wäre in den geplanten Nanodrähten vorteilhaft für die Ausbildung von topologischen Majorana-Fermionen.

„Unter dem Gesichtspunkt der Elektronenverteilung unter der Oxidschicht eignet sich also Indiumantimonid besser als Indiumarsenid, um als Trägermaterial für topologische Quantenbits zu dienen“, schließt Niels Schröter. Er gibt jedoch zu bedenken, dass bei der Suche nach den besten Materialien für einen topologischen Quantencomputer sicherlich weitere Vor- und Nachteile gegeneinander abgewogen werden müssen. „Unsere hoch entwickelten spektroskopischen Methoden werden bei der Suche nach den Materialien für Quantencomputer sicherlich eine wichtige Rolle spielen“, sagt Strocov. „Das PSI macht derzeit große Schritte, um die Quanten­forschung und die quanten­physikalischen Ingenieur­wissenschaften in der Schweiz auszubauen und die SLS ist ein wesentlicher Teil davon.“

PSI / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Yang et al.: Electronic structure of InAs and InSb surfaces: density functional theory and angle-resolved photoemission spectroscopy, Adv. Quantum Technol., online 20. Januar 2022; DOI: 10.1002/qute.202100033
• Laboratory for Advanced Spectroscopy and X-ray Sources, Paul Scherrer Institut, Villigen, Schweiz