Wissenschaftler konzipieren Generator für stabile Quantenbits

Ihr topologischer Nichtleiter entsteht aus Materialien für Nachtsichtgeräte. Mit ihm hoffen die Forscher, im Experiment Majorana-Fermionen erstellen zu können. Sie würden verlässliche Qubits ermöglichen.

Forschung für einen Quantencomputer (Bild: Jeff Fitlow, Rice University)
Forschung für einen Quantencomputer (Bild: Jeff Fitlow, Rice University)

Forscher der US-Universität Rice haben eine Technik entwickelt, die sich beim Bau eines Quantencomputers eines Tages als nützlich erweisen könnte. Ihren „Quantum Spin Hall Topological Insulator“ (ein topologischer Nichtleiter) bezeichnen sie als wichtigen Baustein, um Quantenteilchen zu schaffen, die Daten speichern und verändern können.

Das Besondere an Quantenbits, kurz Qubits: Anders als normale Bits können sie Null und Eins zugleich anzeigen. Dies würde einem Quantencomputer bei rechenintensiven Aufgaben einen gewaltigen Leistungsvorsprung gegenüber normalen Computern verschaffen – etwa beim Knacken von Codes, der Berechnung von Klimamodellen oder bei biomedizinischen Simulationen.

Ihren Ansatz bezeichnen die Rice-Forscher als besonders robust. „Im Prinzip brauchen wir nicht viele Qubits, um einen leistungsstarken Rechner zu bauen. Rein nach Informationsdichte würde ein Siliziumcomputer mit einer Milliarde Transistoren einem Quantenprozessor mit 30 Qubits entsprechen“, sagt der am Projekt beteiligte Physiker Rui-Rui Du.

Du und sein Kollege Ivan Knez haben ihr Konzept in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht. Darin schreiben sie: „Topologische Konzepte dürften generell fehlertoleranter sein als andere Arten von Quantencomputern, weil jedes Qubit aus einem Paar Quantenteilchen besteht, deren gemeinsame Identität sich so gut wie nicht ändern kann.“ Ein solches Paar wird als Majorana-Fermion bezeichnet – es handelt sich um ein Konzept aus dem Jahr 1937. Das Problem: Bisher ist es nicht gelungen, auch nur ein solches Paar zu schaffen oder zu beobachten.

Knez erwartet, dass ein Majorana-Fermion erscheint, wenn man einen topologischen Nichtleiter mit einem Supraleiter verbindet. Dies muss in der Praxis aber erst erprobt werden. Den Nichtleiter fertigen die Wissenschaftler aus Halbleitern, die für Nachtsichtgeräte verwendet werden. Du zufolge handelt es sich um den ersten topologischen Nichtleiter aus einem Material, von dem bekannt ist, wie man es mit einem Supraleiter verbinden kann.

„Wir sind für den nächsten Schritt gut positioniert“, sagte Du. „Inzwischen können wir nur versuchen, Majorana-Fermionen in Experimenten zu finden und zu prüfen, ob sie gute Kandidaten für stabile Qubits sind.“

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