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Kurz und bündig
Quantenmaterialien wie Halb- oder Supraleiter stecken bereits heute in Lasern, Smartphones, Solarzellen und Teilchenbeschleunigern. Jülicher Wissenschaftler:innen entwickeln im Topic „Quantum Materials“ zunächst auf der Basis dieser bekannten Materialien neuartige Bauteile und Systeme für Technologien wie Quantencomputer oder Quantensensoren.
Darüber hinaus optimieren Jülicher Forscher:innen die bestehenden Materialsysteme, um ihnen neue Eigenschaften und Leistungen zu entlocken und entwickeln zudem gänzlich neue. Dies erfordert ein tiefes Verständnis emergenter Quantenphänomene in einer Vielzahl von Materialien und Molekülen.
Herausforderungen
Quantenphänomene, die den Materialien zu ihren speziellen physikalischen Eigenschaften verhelfen, sind komplex und die zugrundeliegenden Quantenzustände äußerst störungsanfällig. Erschwerend kommt hinzu: Anders als bei den etablieren Technologien müssen die einzelnen Quantenzustände sehr gezielt gesteuert werden, wenn man sie etwa zum Verarbeiten und Speichern von Informationen nutzen möchte.
Für eine begrenzte Anzahl von Qubits, den Recheneinheiten von Quantencomputern, ist das mit Halb- und Supraleitern bereits gelungen, wobei insbesondere die Fehleranfälligkeit der Zustände eine große Herausforderung darstellt. Doch um in Zukunft fehlerkorrigierte Quantencomputer mit Millionen von Qubits zu realisieren, müssen die heute verwendeten Ansätze auch auf der Material- und Device-Ebene weiter optimiert oder ganz neue entwickelt werden.
Lösungen
In einem umfassenden Programm untersuchen und entwickeln Jülicher Forscher:innen unterschiedlichste Quantenmaterialien und Materialsysteme, die ihre Eigenschaften unter extremen Bedingungen wie ultratiefen Temperaturen oder starken Magnetfeldern offenbaren. Um die grundlegenden Effekte zu verstehen ist die Untersuchung der elektronischen Struktur mit zum Teil neuentwickelten Methoden notwendig. Jülicher Forschende testen hierzu traditionelle Quantenmaterialien wie Halbleiter und Supraleiter, die schon in Technologien wie Lasern und Solarzellen eingesetzt werden. Eine weitere, noch relativ neue Materialklasse sind topologische Isolatoren. Auf ihrer Oberfläche bewegen sich Elektronen in Abhängigkeit von ihrem Elektronenspin, während sich das Material in seinem Innern wie ein elektrischer Isolator verhält.
Jülicher Forscher:innen ist es als Ersten gelungen, einen topologischen Isolator in ein konventionelles supraleitendes Qubit zu integrieren. Diese Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg, ein sogenanntes Majorana-Qubit zu realisieren. Dieser Qubittyp gilt als vielversprechender Kandidat für robuste Quantenzustände: Solche Hybrid-Qubits aus zwei Quantenmaterialien gelten als deutlich stabiler als die empfindlichen und daher fehleranfälligen halb- oder supraleitenden Qubits. Jülicher Forschende untersuchen darüber hinaus auch Quantenpunkte und andere exotische Materialien, die einzigartige elektronische und magnetische Eigenschaften besitzen.
Hierbei ist eine weitere Weltneuheit von großem Nutzen: In einem internationalen Projekt gelang es Jülicher Forschenden einen speziellen Quantensensor zu entwickeln, der winzige magnetische Felder auf atomarer Skala vermessen kann. Er wird zukünftig für die Untersuchung neuer Quantenmaterialien eingesetzt, eignet sich aber auch für Quantensimulationen mit einzelnen Atomen auf Oberflächen oder als mobiles Qubit.
Ein weiterer Jülicher Schwerpunkt liegt in der Entwicklung von elektronischen Schaltkreisen und Systemen, die bei extrem niedrigen Temperaturen funktionieren. Darüber hinaus erforschen und entwickeln die Jülicher Teams mithilfe von Simulationen auf Supercomputern neue Quantensysteme, um deren Verhalten besser zu verstehen und gezielt neue Materialien zu entwerfen.
Hierzu verfügt Jülich über einzigartige Technologielabore wie die Helmholtz Nano Facility (HNF), in denen Wissenschaftler:innen zum Beispiel Quantenchips herstellen können. In Zukunft wird außerdem das Helmholtz Quantum Center (HQC) am Standort Jülich einen wesentlichen Teil der Forschungsaktivitäten für Quantencomputing abdecken – von der Erforschung von Quantenmaterialien bis zur Entwicklung von Prototypen.
Kontakt
Prof. Dr. Frank Stefan Tautz
Director of Peter Grünberg Institute (PGI-3)
- Peter Grünberg Institut (PGI)
- Quantum Nanoscience (PGI-3)
Raum 317
