TOPOQUANT

Topologische Quantencomputer

Im Prinzip können Quantencomputer gewisse relevante Probleme sehr viel effizienter lösen als herkömmliche Computer. Hierzu nutzen sie aus, dass Systeme in der Quantenmechanik auch in mehreren Zuständen gleichzeitig vorliegen können. So kann ein sogenanntes Quantenbit (Qubits) nicht nur die Zustände 0 oder 1 annehmen, sondern auch beliebige Kombinationen der beiden. Dies kann Algorithmen insofern beschleunigen, da viele Konfigurationen parallel zur gleichen Zeit anstatt sequentiell abgearbeitet werden können. Nun sind solche Überlagerungszustände von 0 und 1 hochgradig instabil, was ihre Anwendung in Quantencomputern ungemein erschwert. Üblicherweise wird versucht, Qubits möglichst weitgehend gegen äußere Störungen abzuschirmen.

In diesem Projekt wird ein alternativer Zugang verfolgt, bei dem die Zustände, wie man sagt, topologisch geschützt sind und daher nicht auf äußere Einflüsse wie lokale elektrische oder magnetische Felder reagieren.

Ein Beispiel für topologischen Schutz aus dem Alltag ist unsere Kleidung: Sie besteht aus vielen Fäden, die so ineinander verwoben sind, dass sie bei kontinuierlicher Verformung nicht auseinanderfallen. Geeignete topologisch geschützte Zustände können in topologischen Supraleitern mit sogenannten Majorana-Anregungen realisiert werden. Um die Information zu manipulieren, wird unter anderem ausgenutzt, dass sich der Zustand des Systems ändert, wenn die Majoranas vertauscht werden (nicht-abelsche Quantenstatistik).

Zweidimensionale Halbleiter-/Supraleiter-Hybride als Hardware für einen topologischen Quantencomputer

Um diese Ideen zu realisieren, wird eine geeignete Hardware benötigt. Große Fortschritte wurden in den letzten Jahren auf der Basis geeigneter Halbleiterdrähte, in engem Kontakt mit gewöhnlichen Supraleitern, gemacht. Hier soll nun eine neue Plattform für derartige Hybridmaterialien untersucht und entwickelt werden: Anstelle von Drähten beruht diese Plattform auf einem zweidimensionalen Elektronengas, aus dem erst durch Strukturierung geeignete Drähte entstehen. Eine solche Plattform hat gegenüber Halbleiterdrähten u.a. den Vorteil, dass die benötigten komplizierten Drahtkonfigurationen einfacher zu realisieren sind.

Dieses Vorhaben wird in einem europäischen Verbund gemeinsam mit Experimental- und theoretischen Physikern aus Dänemark, der Schweiz und Schweden verfolgt. Das vorliegende Teilvorhaben untersucht die theoretischen Grundlagen dieses Zugangs und unterstützt die Konzeption und Analyse der experimentellen Ergebnisse.