MajoranaChips

Der Einsatz von Quantentechnologien verspricht in vielen Anwendungen des Informationszeitalters große Fortschritte, da mit den Wirkprinzipien der Quantenmechanik völlig neue Funktionen bereitstehen. Ein exponiertes Beispiel dafür ist eine vollständig neue Klasse von Computern durch das Rechnen mit sogenannten Quantenbits. Dies bedeutet eine Überwindung der klassischen Datenverarbeitung und, damit verbunden, eine extreme Beschleunigung von Berechnungen z. B. für die schnelle Suche in riesigen Datenmengen oder die bestmögliche Steuerung von Verkehrssystemen.

Wichtig für solche Quantencomputer ist die Basistechnologie für die Quantenbits. Insbesondere die Robustheit der fragilen Quantenzustände als auch die einfache Möglichkeit ihrer Überlagerung sind für eine nutzbare Basistechnologie von großer Bedeutung.

Hier setzt das vorliegende Projekt an. Es sollen gezielt elektronische Bauteile erforscht werden, die aufgrund besonderer physikalischer Eigenschaften die genannten Anforderungen potenziell gut erfüllen können. Die frühe Realisierung solcher Bauteile kann Deutschland einen internationalen Wettbewerbsvorteil bringen, der direkt mit einem wirtschaftlichen Nutzen verknüpft ist. Ein mit Auslese- und Steuerelektronik ausgestatteter Chip kann als Exportprodukt weltweit in kommerziell erhältlichen Kryostaten betrieben werden und so als Quantencomputer fungieren. Alternativ sind deutsche Quantum-Cloudservices auf Basis der Technologie denkbar.

Inhalt des Forschungsprojekts ist es, Chipbauteile für das Rechnen mit Quantenzuständen zu erforschen und zu demonstrieren. Der Ansatz besteht darin, aus Netzwerken von sogenannten topologischen Isolatoren und supraleitenden Strukturen besonders robuste Quantenbits basierend auf Majorana-Moden herzustellen. Topologische Isolatoren sind Materialien, die sich in ihrem Inneren elektrisch isolierend, auf der Außenseite allerdings leitend verhalten. Obwohl das Prinzip sehr grundlegend ist und experimentell noch nicht verifiziert wurde, versprechen Quanten-Prozessoren auf Basis solcher topologischer Strukturen eine sehr viel geringere Fehlerrate als konventionelle (nicht topologische) Quanten-Prozessoren, was die Realisierung funktionaler Quantencomputer wesentlich beschleunigen würde.

Die zu Grunde liegende Herstelltechnologie ermöglicht, komplexe strukturelle Netzwerke via Molekularstrahlepitaxie und unter Ultrahochvakuumbedingungen zu fertigen und für weitere Fertigungsschritte (außerhalb des Vakuums) zu konservieren.