De ontwikkeling van een kwantumcomputer die problemen kan oplossen, die klassieke computers alleen met veel moeite of helemaal niet kunnen oplossen - dit is het doel dat momenteel wordt nagestreefd door een steeds groeiend aantal onderzoeksteams over de hele wereld. De reden:kwantumeffecten, die afkomstig zijn uit de wereld van de kleinste deeltjes en structuren, maken veel nieuwe technologische toepassingen mogelijk. Zogenaamde supergeleiders, waarmee informatie en signalen kunnen worden verwerkt volgens de wetten van de kwantummechanica, worden beschouwd als veelbelovende componenten voor het realiseren van kwantumcomputers. Een knelpunt van supergeleidende nanostructuren, echter, is dat ze alleen bij zeer lage temperaturen werken en daarom moeilijk in praktische toepassingen te brengen zijn.

Onderzoekers van de Universiteit van Münster en Forschungszentrum Jülich nu, Voor de eerste keer, demonstreerde wat bekend staat als energiekwantisatie in nanodraden gemaakt van supergeleiders bij hoge temperatuur - i. e. supergeleiders, waarbij de temperatuur wordt verhoogd waaronder kwantummechanische effecten overheersen. De supergeleidende nanodraad neemt dan alleen geselecteerde energietoestanden aan die kunnen worden gebruikt om informatie te coderen. In de hoge temperatuur supergeleiders, de onderzoekers waren ook in staat om voor het eerst de absorptie van een enkel foton waar te nemen, een lichtdeeltje dat dient om informatie door te geven.

"Aan de ene kant, onze resultaten kunnen in de toekomst bijdragen aan het gebruik van aanzienlijk vereenvoudigde koeltechnologie in kwantumtechnologieën, en aan de andere kant, ze bieden ons volledig nieuwe inzichten in de processen die supergeleidende toestanden beheersen en hun dynamiek, die nog steeds niet worden begrepen, " benadrukt onderzoeksleider Jun. Prof. Carsten Schuck van het Institute of Physics van de Universiteit van Münster. De resultaten kunnen daarom relevant zijn voor de ontwikkeling van nieuwe soorten computertechnologie. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Achtergrond en methoden:

De wetenschappers gebruikten supergeleiders gemaakt van de elementen yttrium, barium, koperoxide en zuurstof, of kortweg YBCO, waaruit ze enkele nanometer dunne draden maakten. Wanneer deze structuren elektrische stroom geleiden, treedt fysieke dynamiek op die 'faseverschuivingen' worden genoemd. In het geval van YBCO-nanodraden, fluctuaties van de ladingsdragerdichtheid veroorzaken variaties in de superstroom. De onderzoekers onderzochten de processen in de nanodraden bij temperaturen onder de 20 Kelvin, wat overeenkomt met min 253 graden Celsius. In combinatie met modelberekeningen, ze demonstreerden een kwantisering van energietoestanden in de nanodraden. De temperatuur waarbij de draden in de kwantumtoestand kwamen, werd gevonden bij 12 tot 13 Kelvin - een temperatuur die honderden keren hoger is dan de temperatuur die vereist is voor de normaal gebruikte materialen. Hierdoor konden de wetenschappers resonatoren produceren, d.w.z. oscillerende systemen afgestemd op specifieke frequenties, met een veel langere levensduur en om de kwantummechanische toestanden langer te behouden. Dit is een voorwaarde voor de langetermijnontwikkeling van steeds grotere kwantumcomputers.

Absorptie van een enkel foton in supergeleiders bij hoge temperatuur

Verdere belangrijke componenten voor de ontwikkeling van kwantumtechnologieën, maar mogelijk ook voor medische diagnostiek, zijn detectoren die zelfs enkele fotonen kunnen registreren. De onderzoeksgroep van Carsten Schuck aan de Universiteit van Münster werkt al enkele jaren aan de ontwikkeling van dergelijke enkelvoudige fotondetectoren op basis van supergeleiders. Wat al goed werkt bij lage temperaturen, wetenschappers over de hele wereld proberen al meer dan een decennium te bereiken met supergeleiders voor hoge temperaturen. In de YBCO-nanodraden die voor het onderzoek zijn gebruikt, deze poging is nu voor het eerst geslaagd. "Onze nieuwe bevindingen effenen de weg voor nieuwe experimenteel verifieerbare theoretische beschrijvingen en technologische ontwikkelingen, ", zegt co-auteur Martin Wolff van de onderzoeksgroep Schuck.