Neue Materialien für Quantencomputer

Forscher des Fachbereichs Physik und des Exzellenzclusters CUI: Advanced Imaging of Matter der Universität Hamburg und der University of California at Irvine haben kürzlich einen neuen Weg zur Charak­terisierung von topo­logischen Supraleitern mit Hilfe von Multi-Terahertz-Puls­experimenten entwickelt. Dies eröffnet eine Möglichkeit zur eindeutigen Identi­fizierung vorher­gesagter exotischer Materie­zustände und könnte dazu beitragen, neuartige Materialien für zukünftige Geräte zu entwerfen, die Quanteninformation tragen und verarbeiten können.

Forschende auf der ganzen Welt streben nach der Realisierung skalierbarer Quantencomputer auf der Grundlage von Festkörper­materialien. Eine solche Klasse von Materialien sind topologische Supra­leiter. Es wird vermutet, dass sie eine besondere Art von Quanten­zuständen an ihren Rändern beherbergen, die nicht-abelschen Anyonen in Form von Majorana-Fermionen. Indem man diese Quasiteilchen in Netzwerken von Quanten­drähten umherschiebt, kann man logische Quantengatter realisieren, die Bausteine von Quanten­computern. Frühe Anzeichen für die Existenz von Majoranas wurden auf der Grundlage von Messungen des Quanten­transports gemeldet.

Diese Studien erwiesen sich aber später als unzuverlässig, da Majoranas leicht mit trivialen Anregungen von Rand­zuständen verwechselt werden können. Die neue Theoriearbeit verfolgt einen anderen Ansatz: Anstatt die Majoranas an den Rändern des Bauelements selbst zu untersuchen, werden Volumen­eigenschaften betrachtet. Aufgrund der Bulk-Rand-Korres­pondenz sind Majoranas eng mit der Topologie der Bulk-Bandstruktur des Supraleiters verbunden. In gewissem Sinne erfahren die Teilchen­anregungen im Volumen des Materials eine Verflechtung mit den Majoranas an den Rändern. Diese starke Verflechtung kann mit Hilfe der zweidimen­sionalen Terahertz-Spektroskopie untersucht werden, einer Technik, die bei Molekülen und 3D-Materialien weit verbreitet ist.

„Im Gegensatz zur linearen Absorptions­spektroskopie können wir mit nichtlinearen Multipuls­experimenten die optische Antwort angeregter Teilchen untersuchen und so diese Verflechtung deutlich mit einzigartigen Signaturen des exotischen topo­logischen Zustands in den 2D-Spektren aufzeigen“, so Michael Thorwart. Der Theorie­vorschlag formuliert einen wichtigen Schritt zwischen dem Nachweis der grund­legendsten, aber nicht vollständig charak­terisierenden Eigenschaften von Majoranas und der momentan zu ehrgeizigen Demonstration der logischen Gatter-Operationen mit nicht-abelschen Anyonen in Form der Verflechtung von Majorana-Zuständen. „Solche optischen Techniken liefern spektro­skopische Informationen, die über die Bildgebung hinausgehen, und ermöglichen eine zweifelsfreie Charak­terisierung topo­logischer Materialien. Als solche könnten sie eine Brücke zu den künftigen Anwendungen in der Quanten­technologie schlagen“, ergänzt Doktorand Felix Gerken.

UHH / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  F. Gerken et al.: Unique Signatures of Topological Phases in Two-Dimensional THz Spectroscopy, Phys. Rev. Lett. 129, 017401 (2022); DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.017401
• Nonequilibrium Quantum Dynamics Group (M. Thorwart), I. Institut für Theoretische Physik, Universität Hamburg