Forscher haben einen neuartigen Supraleiter auf Basis von Germanium entwickelt, einem Material, das in der Computerindustrie bereits allgegenwärtig ist und möglicherweise bedeutende Fortschritte in der Quantencomputertechnologie ermöglichen wird. Der Durchbruch adressiert eine entscheidende Hürde im Quantencomputing: den Bedarf an Materialien, die sowohl Supraleitung aufweisen als auch nahtlos in bestehende Chip-Herstellungsprozesse integriert werden können.
Was ist Supraleitung und warum ist sie wichtig?
Supraleiter sind Materialien, die Elektrizität ohne Widerstand leiten können. Diese Eigenschaft ist bei jedem Elektrogerät äußerst wertvoll, da sie Energieverluste durch Wärme verhindert. Entscheidend für das Quantencomputing ist, dass Supraleiter auch die Quantenkohärenz aufrechterhalten – ein Phänomen, das für die Manipulation und Speicherung von Quanteninformationen unerlässlich ist.
Die Herausforderung der Integration von Supraleitern in die Computertechnik
Frühere Supraleiter waren zwar effektiv, wurden jedoch häufig aus ungewöhnlichen und schwer zu verarbeitenden Materialien hergestellt. Dies stellte ein erhebliches Hindernis für den Einbau in praktische Computergeräte dar, insbesondere in Quantencomputern, die komplexe Schaltkreise erfordern.
Ein neuartiger Ansatz: Gallium-dotiertes Germanium
Peter Jacobson von der University of Queensland, Australien, und sein Team haben einen Supraleiter auf Germaniumbasis geschaffen, indem sie durch einen Prozess namens „Dotierung“ Gallium in das Material eingebracht haben. Im Gegensatz zu früheren Versuchen ähnlicher Kombinationen, die sich als instabil erwiesen, setzte Jacobsons Team Röntgenbestrahlung ein, um eine gleichmäßigere Verteilung von Gallium innerhalb des Germaniumfilms zu erzwingen. Dadurch entstanden stabile, gemusterte Strukturen.
Anforderungen an die Superkühlung und die Landschaft des Quantencomputings
Es ist wichtig zu beachten, dass dieser neue Supraleiter, wie bereits bestehende, nicht bei Raumtemperatur funktioniert. Um zu funktionieren, sind extrem niedrige Temperaturen erforderlich – genauer gesagt 3,5 Kelvin (-270 °C/-453 °F). Während dadurch der Einsatz in typischen Verbrauchergeräten entfällt, schlägt David Cardwell von der Universität Cambridge vor, dass es perfekt für Quantencomputer geeignet ist, die bereits eine Superkühlung erfordern.
„Es könnte für die Quantentechnologie von entscheidender Bedeutung sein“, sagt Cardwell. „Dadurch ergibt sich ein völlig neues Maß an Funktionalität, da die Umgebung sowieso sehr kalt ist. Das wäre meiner Meinung nach der naheliegende Ausgangspunkt.“
Überwindung des Problems der Kristallstrukturdefekte
Frühere Versuche, Supraleiter mit Halbleitern (Schlüsselkomponenten von Computergeräten) zu kombinieren, führten zu Defekten in der Kristallstruktur – ein großes Hindernis für praktische Anwendungen. Diese Defekte führen zur Signalabsorption und stören die präzisen Quantenoperationen.
„Unordnung ist eigentlich ein parasitärer Effekt in der Quantentechnologie“, erklärt Jacobson. „Es führt zur Absorption Ihrer Signale.“
Eine einheitliche Kristallstruktur für verbesserte Funktionalität
Der neu entwickelte Gallium-dotierte Germanium-Supraleiter überwindet dieses Problem, indem er es ermöglicht, dass Materialschichten und Siliziumschichten (ein weiterer üblicher Halbleiter) direkt übereinander sitzen, ohne die Kristallstruktur zu zerstören. Dies ebnet den Weg für die Herstellung integrierter Chips, die die einzigartigen Vorteile von Halbleitern und Supraleitern nutzen. Diese kombinierten Chips haben das Potenzial, die Effizienz und Zuverlässigkeit von Quantencomputern drastisch zu verbessern.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Schaffung eines stabilen, einfach herzustellenden Germanium-Supraleiters einen bedeutenden Fortschritt für das Quantencomputing darstellt. Durch die Lösung von Problemen im Zusammenhang mit Materialintegration und Kristallstrukturdefekten eröffnet diese Innovation Möglichkeiten für leistungsfähigere und zuverlässigere Quantentechnologien
