Qubits Magnetische Wirbel in Supraleitern als erwünschter Effekt

Üblicherweise sind Magnetfelder in Supraleitern störend. Ein Wissenschaftlerteam unter Beteiligung des Karlsruher Instituts für Technologie hat nun Methoden entwickelt, diese Magnetfelder gezielt zu erzeugen. Diese können als Schritt zur Erzeugung von Qubits dienen, den Informationseinheiten für Quantencomputer.

Supraleiter sind Materialien, die unter bestimmten Bedingungen elektrischen Strom ohne Widerstand leiten und Magnetfelder normalerweise vollständig verdrängen. Wird jedoch ein kritisches Magnetfeld überschritten, dringen Magnetfelder in Form winziger, quantisierter Wirbel, auch Vortices genannt, in das Material ein. Diese galten bislang als unerwünschte Störfaktoren, da sie Energieverluste verursachen und die Leistungsfähigkeit supraleitender Systeme einschränken.

Die aktuelle Studie des Forschungsteams von Professor Ioan M. Pop am Institut für Quanten-Materialien und Technologien (IQMT) des KIT belegt ein grundlegend neues Verhalten magnetischer Wirbel in Supraleitern. Die Forschenden untersuchten stark ungeordnete supraleitende Dünnfilme aus granularen Aluminiumschichten nahe dem Übergang zwischen Supraleitung und Isolator. In diesem Material verlieren die Wirbel ihre störenden Eigenschaften und bilden stabile, verlustarme Zustände, die sich quantenmechanisch beschreiben lassen.

Wirbel entstehen aufgrund des Materials

Die physikalische Grundlage dieses Effekts liegt in der besonderen Struktur des Materials: Granulares Aluminium besteht aus nanoskaligen supraleitenden Inseln, die durch schwache Kopplungen verbunden sind. Dadurch entsteht eine komplexe Energielandschaft mit lokalen Minima, quasi energetische „Mulden“, zwischen denen ein Wirbel quantenmechanisch hin- und her tunneln kann. Auf diese Weise bilden sich stabile Zwei-Niveau-Systeme aus, die den beobachteten Quantenzuständen zugrunde liegen.

„Damit erfüllen sie eine zentrale Voraussetzung für den Einsatz als Qubits in Quantentechnologien“, ergänzt Pop. „Zugleich zeigt die Studie, dass selbst Effekte, die lange als störend galten, unter den richtigen Bedingungen zu wertvollen Ressourcen werden können. Das eröffnet völlig neue Perspektiven für das Design zukünftiger Quantensysteme.“

Die Forschenden konnten diese Vortex-Qubits nicht nur nachweisen, sondern mithilfe von Mikrowellenmessungen und Methoden der Quantenelektrodynamik auch gezielt anregen, kontrollieren und auslesen. Die gemessenen Kohärenz- und Relaxationszeiten liegen im Mikrosekundenbereich und sind damit vergleichbar mit etablierten supraleitenden Qubit-Systemen. Damit gehören Vortex‑Qubits zu den bislang ungewöhnlichsten Kandidaten für quantentechnologische Anwendungen.

Qubits nicht mehr künstlich fertigen

Langfristig könnten solche Systeme als neuartige Qubits dienen, die nicht künstlich gefertigt werden müssen, sondern aus intrinsischen Materialeigenschaften hervorgehen. Neben möglichen Anwendungen in der Quanteninformationstechnologie eröffnen sich auch neue Wege für die experimentelle Untersuchung komplexer Materialien. So könnten Vortex-Qubits künftig als empfindliche Sonden eingesetzt werden, um mikroskopische Eigenschaften von Supraleitern präzise zu analysieren.

„Auch wenn noch Fragen zur technischen Umsetzung und Skalierbarkeit offen sind, zeigen unsere Ergebnisse eindrucksvoll, dass selbst vermeintlich unerwünschte Effekte in der Physik unter den richtigen Bedingungen zu nützlichen quantenmechanischen Ressourcen werden können“, so Pop. Am Beispiel supraleitender Wirbel eröffnen sich neue Wege für zukünftige Technologien.

An der Studie waren auch Forschende der Universität Antwerpen und der Universität Ulm beteiligt.

Originalpublikation: Ameya Nambisan, Simon Günzler, Dennis Rieger, Nicolas Gosling, Simon Geisert, Victor Carpentier, Nicolas Zapata, Mitchell Field, Milorad V. Milošević, Carlos A. Diaz Lopez, Ciprian Padurariu, Björn Kubala, Joachim Ankerhold, Wolfgang Wernsdorfer, Martin Spiecker & Ioan M. Pop: Quantum coherent manipulation and readout of superconducting vortex states. Nature, 2026.

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