Ella Nikodem sitzt im Labor der Universität zu Köln vor Messkurven, die so aussehen, wie es die Theorie vorhergesagt hat – und das ist in der Physik selten genug, um Begeisterung auszulösen. Zusammen mit Jakob Schluck und Kollegen aus dem Topological Matter Laboratory Cologne hat sie Quantenzustände beobachtet, die zu einem Modell passen, das Physiker seit fast zwei Jahrzehnten für einen der aussichtsreichsten Wege zu robusteren Quantencomputern halten: die sogenannte topologische Supraleitung. Veröffentlicht haben sie ihre Ergebnisse unter dem Titel „Tunneling spectroscopy of topological insulator Josephson junctions“ im Fachjournal Science Advances. Das Experiment liefert keinen fertigen Quantenchip, aber ein Indiz dafür, dass ein bestimmtes Materialsystem tatsächlich das tut, was Theoretiker ihm seit Jahren zutrauen.
Um zu verstehen, warum das etwas Besonderes ist, muss man kurz bei einem Grundproblem des Quantencomputings ansetzen. Die kleinsten Recheneinheiten solcher Maschinen, Qubits genannt, sind extrem empfindlich. Schon winzige Störungen aus der Umgebung – ein bisschen Wärme, ein elektrisches Rauschen – können die gespeicherte Information zerstören. Normale Computer korrigieren Fehler, indem sie Daten mehrfach speichern und vergleichen. Bei Quantencomputern ist das ungleich aufwendiger. Deshalb suchen Forscher weltweit nach Wegen, Information von Natur aus stabiler zu speichern, statt sie nachträglich zu reparieren.
Genau hier setzt das sogenannte topologische Quantencomputing an. Die Idee: Man kodiert Information nicht in einem einzelnen, verletzlichen Teilchenzustand, sondern in einer Eigenschaft, die durch die Form beziehungsweise Struktur des Systems geschützt ist – ähnlich wie ein Knoten in einem Seil seine grundlegende Eigenschaft behält, egal wie man das Seil verbiegt, solange man es nicht durchschneidet. Störungen, die nur lokal wirken, könnten solchen topologisch geschützten Zuständen dann vergleichsweise wenig anhaben.
Das Kölner Team hat dafür ein Material kombiniert, das zwei Eigenschaften gleichzeitig mitbringt. Ein sogenannter topologischer Isolator leitet im Inneren keinen Strom, wohl aber an seiner Oberfläche. Bringt man ihn in Kontakt mit einem gewöhnlichen Supraleiter – einem Material, das Strom komplett verlustfrei leitet –, können an der Oberfläche besondere Zustände entstehen: die topologische Supraleitung. Sie gilt als möglicher Wegbereiter für sogenannte Majorana-Nullmoden, exotische Quantenzustände, die als Kandidat für besonders stabile topologische Qubits erforscht werden.
Um dieses Zusammenspiel direkt zu untersuchen, bauten die Forschenden eine sogenannte Josephson-Kontaktstruktur: zwei Supraleiter, die durch einen schmalen, selbst nicht supraleitenden Bereich getrennt sind. Mit einer Methode namens Tunnelspektroskopie maßen sie, welche Quantenzustände in diesem Zwischenbereich entstehen, während sie die sogenannte Phasendifferenz zwischen den beiden Supraleitern systematisch veränderten – vereinfacht gesagt, eine Art Stellschraube für den quantenmechanischen Zustand der Elektronen im Kontakt.
Dabei beobachtete das Team sogenannte hochtransmissive Andreev-Zustände – sie entstehen, wenn Elektronen und ihre positiv geladenen Gegenstücke, sogenannte Löcher, an einem supraleitenden Übergang miteinander wechselwirken. Diese Zustände zeigten sich über einen weiten Bereich unterschiedlicher Ladungsträgerdichten hinweg, und ihr Verhalten entsprach genau dem, was die Theorie für Elektronen an der Oberfläche eines topologischen Isolators vorhersagt. Unter einem angelegten Magnetfeld fanden die Forschenden zudem Zustände, die sich auf bestimmte, eng begrenzte Bereiche des Kontakts konzentrierten – auch das deckt sich mit den theoretischen Erwartungen.
„Zu verstehen, wie Supraleitung mit den besonderen elektronischen Eigenschaften topologischer Isolatoren zusammenwirkt, ist entscheidend, um ihr Potenzial für das topologische Quantencomputing einschätzen zu können“, sagt Professor Yoichi Ando, der das Labor leitet. Die gemessenen Ergebnisse passen sowohl zu einem theoretischen Modell, das die Physiker Liang Fu und Charles Kane bereits 2008 vorgeschlagen hatten, als auch zu aktuellen Simulationen der Arbeitsgruppe von Fabian Hassler an der RWTH Aachen.
Ella Nikodem bringt die Stimmung im Team auf den Punkt: „Es ist wirklich spannend zu sehen, wie gut unsere experimentellen Ergebnisse mit den theoretischen Vorhersagen übereinstimmen. Das stimmt uns im Hinblick auf künftige Anwendungen im Quantencomputing sehr zuversichtlich.“
Ganz am Ziel ist die Gruppe damit aber nicht. Offen bleibt die entscheidende Frage, ob die gemessenen Zustände tatsächlich einen ganz bestimmten Übergang durchlaufen: das Schließen und anschließende Wiederöffnen einer sogenannten Energielücke, einem energetischen Bereich, den Elektronen in diesem Zustand nicht einnehmen können. Ein solcher Übergang würde darauf hindeuten, dass das System tatsächlich in den Zustand der topologischen Supraleitung wechselt – also genau jenen Zustand, in dem bestimmte Quantenzustände vor lokalen Störungen geschützt sein könnten. Mit den bisherigen Messungen lässt sich das noch nicht eindeutig zeigen.
„Um den topologischen Phasenübergang in diesem System nachzuweisen, müssen wir die Energie- und Zeitauflösung unseres Experiments verbessern. Das ist einer der nächsten Schritte in der Forschung unserer Arbeitsgruppe“, erklärt Jakob Schluck. Zwischen einer vielversprechenden Messkurve im Labor und einem funktionierenden, fehlerresistenten Quantenbit liegt also noch Arbeit – aber die Kölner Daten zeigen, dass die Richtung, in die Theoretiker seit Fu und Kane rechnen, offenbar stimmt.
Beteiligt an der Studie waren experimentell arbeitende Physiker der Universität zu Köln und theoretisch arbeitende Forschende der RWTH Aachen. Beide Gruppen gehören zum Exzellenzcluster Matter and Light for Quantum Computing, kurz ML4Q, der 2019 im Rahmen der Exzellenzstrategie von Bund und Ländern eingerichtet wurde und Forschende der Universitäten Köln, Aachen und Bonn sowie des Forschungszentrums Jülich zusammenbringt. Ob aus der gemessenen Übereinstimmung mit der Theorie eines Tages ein echter, störungsresistenter Quantenrechner wird, bleibt offen – aber genau solche kleinen, nachprüfbaren Übereinstimmungen zwischen Rechnung und Experiment sind es, aus denen physikalischer Fortschritt am Ende besteht.
