Kölner Forscher bringen topologische Quantencomputer mit Majorana-Fermionen voran

Ein Forscherteam der Universität Köln hat einen wichtigen Fortschritt bei der Entwicklung topologischer Quantencomputer erzielt. Durch die Demonstration längerreichender superektronischer Korrelationen in Nanodrähten aus topologischen Isolatoren (TIs) wurde ein bedeutender Schritt in Richtung fehlertoleranter Qubits, die auf Majorana-Fermionen basieren, gemacht. Diese Entdeckung, veröffentlicht in *Nature Nanotechnology*, bringt die Umsetzung dieser stabilen und robusten Quantenkomponenten näher.

Topologische Isolatoren sind einzigartige Materialien, die im Inneren als Isolatoren wirken, aber aufgrund spezieller elektronischer Eigenschaften Strom auf ihrer Oberfläche leiten. In Kombination mit herkömmlichen Supraleitern bieten sie eine vielversprechende Plattform für topologische Supraleitung, bei der Majorana-Fermionen als Quasipartikel entstehen. Diese Teilchen sind im Gegensatz zu gewöhnlichen Elektronen vor Umwelteinflüssen geschützt und somit ideale Kandidaten für stabile Qubits.

Obwohl die theoretische Grundlage für Majorana-Fermionen in TIs solide ist, erwies sich ihre experimentelle Beobachtung und Manipulation als schwierig. Das Kölner Team unter der Leitung von Professor Dr. Yoichi Ando überwand diese Hürde durch die Entwicklung einer neuen Herstellungstechnik für hochwertige Nanodrähte aus exfolierten TI-Platten. Diese Methode erzeugt signifikant sauberere Strukturen im Vergleich zu früheren Verfahren, was Experimente ermöglicht, die direkt die einzigartige Andreev-Physik in diesen TI-Nanodrähten untersuchen.

Besonders wichtig ist die Beobachtung längerreichender superektronischer Korrelationen über beachtliche Entfernungen entlang der Nanodrähte. Diese Beobachtung bestätigt das Auftreten von topologischer Supraleitung und liefert starke Beweise für die Existenz von Majorana-Fermionen im System. Die Ergebnisse dieser Forschung eröffnen den Weg für weitere Experimente, die den direkten Nachweis und die Manipulation von Majorana-Fermionen in diesen TI-Nanodrähten ermöglichen sollen. Das langfristige Ziel ist die Konstruktion robuster Qubits, die auf diesen Teilchen basieren, wodurch fehlertolerante Quantencomputer entstehen können, die komplexe Berechnungen bewältigen, die für klassische Computer derzeit unzugänglich sind. Die Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Basel spielte dabei eine entscheidende Rolle im Verständnis der komplexen Andreev-Physik innerhalb dieser TI-Nanodrähte und trug maßgeblich zu diesem Fortschritt bei.

Schlagwörter: Köln + Nature Nanotechnology + TIs

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