Mit einer simplen Drehung zu praktischen Quantencomputern

Der Wettlauf um die Quantenüberlegenheit

Seit Jahren versprechen Quantencomputer eine Revolution: Sie sollen Materialien simulieren, die heute noch niemand versteht, Verschlüsselungen knacken, die als unknackbar galten, und die Entwicklung neuer Medikamente beschleunigen. Doch der Weg vom Laboraufbau mit wenigen Qubits zum verlässlichen Quantenprozessor ist steinig. Ein zentrales Problem sind winzige Lichtquellen, die einzelne Photonen aussenden und als Bausteine für Qubits oder für abhörsichere Quantenkommunikation dienen sollen. Diese sogenannten Quantenemitter lassen sich zwar in verschiedenen Materialien nachweisen - doch ihre Farbe, Helligkeit und zeitliche Stabilität präzise zu steuern, blieb bisher äußerst mühsam. Genau hier setzt eine Entdeckung an, die so einfach ist, dass sie beinahe verblüfft: eine simple Drehung.

Der internationale Konkurrenzkampf um funktionierende Quantentechnologien ist enorm. Stephen Streiffer, Direktor des Oak Ridge National Laboratory, brachte es kürzlich in einem Interview mit Scientific American auf den Punkt: „Wissenschaft ist ein Vollkontaktsport auf globaler Ebene. Der internationale Wettbewerb ist hart, und der zukünftige Erfolg hängt davon ab, die globalen Rennen in Künstlicher Intelligenz, Quantentechnologie und Fusionsenergie zu gewinnen.“ Wer die Kontrolle über die fundamentalen Bausteine der Quantenwelt erlangt, verschafft sich einen entscheidenden Vorteil. Ein Team der University of Technology Sydney hat genau das getan - mit einem Material, das sich wie ein Stapel hauchdünner Käsescheiben verhält.

Das Problem: Quantenemitter im Blindflug

Quantenemitter sind atomare Defekte in einem Festkörper, die einzelne Lichtteilchen - Photonen - aussenden können. Sie gelten als vielversprechende Kandidaten für die Erzeugung von Quantenbits oder für Einzelphotonenquellen, die jeden Abhörversuch sofort verraten. Bisher setzten Forscher vor allem auf etablierte Materialien wie Diamant oder Siliziumkarbid, doch die darin eingebetteten Emitter sind starr. „Man kann diese Quantenemitter messen und sehen, dass sie existieren, aber es ist schwer, sie praktisch zum Laufen zu bringen“, erklärt Dr. Angus Gale, Erstautor der neuen Studie. Die Herausforderung bestand darin, Emissionsfarbe und Wellenlänge der Photonen nach Bedarf zu verändern, ohne das gesamte Material neu zu prozessieren. Bisherige Kontrollmechanismen waren begrenzt: Die Verschiebung der Emission fiel minimal aus, und für jede gewünschte Eigenschaft war im Prinzip eine neue Probe nötig.

Die Lösung: Eine Drehung, die alles verändert

Gale und sein Team schlugen einen anderen Weg ein. Statt die Defekte in hexagonalem Bornitrid (hBN) wie klassische Festkörperemitter zu behandeln, nutzten sie die besondere Stärke des Materials aus: seine geschichtete, atomar dünne Struktur. „Wir können die Schichten aufnehmen, stapeln, verdrehen und die Emitter dadurch modifizieren. Mit Diamant oder Siliziumkarbid geht das nicht“, sagt Gale. In einer Reihe von Experimenten, die kürzlich in Science Advances veröffentlicht wurden, hoben die Forscher hauchdünne hBN-Flöckchen wiederholt an, drehten sie und setzten sie neu zusammen. Dabei beobachteten sie, wie sich Farbe und Wellenlänge des emittierten Lichts dramatisch veränderten.

Das Ausmaß der Verschiebung übertraf alle Erwartungen. „Oft ist die Manipulation solcher Systeme sehr begrenzt, aber in diesem Fall war die Verschiebung viel größer als erwartet“, betont Gale. Der Drehwinkel zwischen den Schichten wirkt wie ein stufenloser Regler: Er verändert die elektronische Umgebung der Defekte und damit die ausgesandten Photonen. Wo frühere Studien meist einen einzigen, festen Drehwinkel verwendeten und die Probe dann nicht mehr antasteten, gelang es den Forschern in Sydney, denselben Emitter durch schrittweises Drehen kontinuierlich durchzustimmen. Das ist der entscheidende Unterschied: Die Kontrolle wird dynamisch und reversibel.

Warum hexagonales Bornitrid so besonders ist

Um die Tragweite zu verstehen, hilft der Vergleich mit einem Stück Käse. „Bei einem Block Käse kommt man nicht an den Geschmack in der Mitte heran. Aber mit Scheiben kann man Lagen abziehen und wieder zusammenfügen und so ihre Wechselwirkung verändern“, erläutert Gale. Hexagonales Bornitrid besteht aus einzelnen Atomlagen, die untereinander nur schwach gebunden sind. Diese Lagen lassen sich mit modernen Transfermethoden voneinander trennen und beliebig neu stapeln. Während die herkömmliche Quantenemitter-Forschung auf die chemische Identität der Defekte fixiert war, rückte das Team um Professor Igor Aharonovich die Geometrie der gestapelten Schichten in den Mittelpunkt. „Man kann zwei Lagen nehmen, die für sich genommen kaum etwas tun, sie in einem bestimmten Winkel übereinanderlegen, und plötzlich hat man ein völlig anderes System“, sagt Aharonovich.

Der Effekt ist keine akademische Spielerei. Er bietet einen praktischen Hebel, um die Emissionseigenschaften punktgenau auf die Anforderungen einer bestimmten Quantenanwendung abzustimmen. Für die Quantenkommunikation benötigt man etwa Photonen mit exakt definierter Wellenlänge, die zu den Dämpfungsminima von Glasfasern passen, oder identische Photonen für die Interferenz bei Rechenoperationen. Die Drehmethode könnte helfen, verschiedenste Emitter aus demselben Ausgangsmaterial zu erzeugen, ohne jedes Mal die Synthesebedingungen anpassen zu müssen.

Was bedeutet das für die Quantentechnologie?

Die neu gewonnene Kontrollmöglichkeit ebnet mehreren Bereichen der Quantentechnologie zugleich den Weg. Aharonovich zufolge eignen sich die verdrehten hBN-Schichten für Quantencomputer, Quantenkommunikation und Quantensensorik. „Diese Materialien könnten letztlich für Quantencomputer und sichere Kommunikation genutzt werden - mit Anwendungen im Gesundheitswesen, in der Cybersicherheit und bei verbesserten GPS-Systemen“, erklärt er. In der Sensorik ließen sich etwa winzige Magnetfelder oder Temperaturänderungen mit bisher unerreichter Präzision messen. Die Möglichkeit, die Emitter durch einen simplen Dreh exakt abzustimmen, vereinfacht die Integration in photonische Schaltkreise erheblich.

Natürlich ist der Weg zum kommerziellen Quantencomputer noch lang. Die nächsten Herausforderungen bestehen darin, die Emitter langzeitstabil zu halten, ihre Kopplung mit optischen Resonatoren zu verbessern und die Technik auf Wafer-Ebene skalierbar zu machen. Doch die Arbeit aus Sydney liefert ein grundlegend neues Paradigma: Statt gegen die Eigenheiten des Materials zu kämpfen, nutzt sie sie aus. „Wir haben uns nicht darauf konzentriert, hBN-Defekte wie traditionelle Festkörper-Wirtsmaterialien zu behandeln, sondern haben die Stärke von hBN genutzt: seine dünne, geschichtete, verdrehbare Struktur“, sagt Gale. Ein Perspektivwechsel, der die Entwicklung praktischer Quantenbausteine erheblich beschleunigen kann. Denn während der globale Wettlauf um die Quantenvorherrschaft immer intensiver wird, zählt am Ende jede Methode, die mehr aus einem Material herausholt, als man je für möglich gehalten hätte.

Quellen:

• Inside the start-up aiming for a giant leap in robot intelligence (New Scientist)
• An Exploration of Universal and Personal Truths (Psychology Today - Articles)
• Stephen Streiffer (Scientific American)
• Parental Infertility Biology, Not IVF, Linked to Child Autism Traits (Neuroscience News)
• This simple twist could bring quantum computers closer to reality (ScienceDaily - All)
• New technique sharpens predictions of metal alloy behavior by capturing subtle atomic patterns (Phys.org)

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Kinetyra