Quantensprung zum Quantencomputer

Eine ungewöhnliche Sorte von Elementarteilchen machen Wissenschaftler optimistisch: die sogenannten "Majorana-Teilchen". Sie könnten die Rechenleistung von Computern deutlich steigern. 1937 vom italienischen Physiker Ettore Majorana vorhergesagt, gehören die Teilchen wie Elektronen, Neutronen und Protonen zur Gruppe der Fermionen. Sie sind elektrisch neutral - und zudem identisch mit ihren Antiteilchen. Und das hat Vorteile:

Die exotischen Teilchen können beispielsweise als "Quasi-Teilchen" in topologischen Supraleitern auftreten und bilden damit ideale Bausteine für topologische Quantencomputer. Auf dem Weg zu solch einem Quantencomputer, der mit Majorana-Teilchen arbeitet, haben Physiker der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) gemeinsam mit Kollegen der Harvard University (USA) jetzt einen Erfolg erzielt: Während bisherige Experimente auf diesem Gebiet bisher im eindimensionalen Raum stattfanden, ist ihnen der Sprung in die Zweidimensionalität gelungen.

"Die Realisierung von Majorana-Fermionen ist eines der aktuellsten Themen der Festkörperphysik", erklärt Ewelina Hankiewicz, Professorin am Lehrstuhl für Theoretische Physik. Bisherige Realisierungen beschränkten sich allerdings meist auf eindimensionale Systeme wie beispielsweise Nanodrähte. Das erschwere die Manipulation dieser Teilchen und erhöhe den Aufwand enorm, wenn sie als Informationsträger in Quantencomputern zum Einsatz kommen sollen, erklärt die Physikerin.

Um einige dieser Schwierigkeiten zu umgehen, haben die Wissenschaftler jetzt Majorana-Fermionen in einem zweidimensionalen System mit starker Spin-Bahn-Wechselwirkung untersucht. Bei diesem System handele es sich um einen phasen-kontrollierten Kontakt ("Josephson-Kontakt"), das heißt, zwei Supraleiter, die durch eine normal leitende Region voneinander getrennt sind, erklärt Laurens Molenkamp, Inhaber des Lehrstuhls für Experimentelle Physik. "Die supraleitende Phasendifferenz zwischen den beiden Supraleitern bietet dabei einen zusätzlichen Parameter, durch den die aufwändige Feinabstimmung anderer Systemparameter zumindest teilweise vermieden werden kann."

Eine verbesserte Kontrolle von Majorana-Fermionen gilt als wichtiger Schritt in Richtung topologischer Quantencomputer. Solche Computer sind theoretisch sehr viel leistungsfähiger als klassische Rechner und haben so das Potenzial, die Computertechnologie zu revolutionieren.