Das Quantencomputing tritt in eine neue Phase der Forschung ein, indem es die Herausforderungen der Dekohärenz und Stabilität von Quantenbits (Qubits) adressiert. Diese Fortschritte könnten entscheidend für die Entwicklung von Quantencomputern sein, die die Informationsverarbeitung revolutionieren. Laut uni-kiel.de speichert der klassische Computer Informationen in form von Bits, die in den Zuständen 0 oder 1 existieren. Im Gegensatz dazu können Qubits in einer Superposition beider Zustände existieren und dadurch eine Vielzahl von Berechnungen gleichzeitig durchführen. Dies wird als eines der größten Potenziale der Quanteninformatik angesehen.
Ein zentrales Problem, das die Anwendung dieser Technologie stark einschränkt, ist die Dekohärenz, die die Stabilität von Qubits beeinträchtigt. Prof. Dr. Nahid Talebi von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel hebt hervor, dass Kühlung auf Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt zwar Störeinflüsse reduzieren kann, jedoch sehr aufwändig und teuer ist. In einer aktuellen Studie, die am 8. März 2025 in *Nature Communications* veröffentlicht wurde, wird hexagonales Bornitrid als vielversprechendes Material für Quantenanwendungen untersucht.
Hexagonales Bornitrid als neuer Ansatz
Hexagonales Bornitrid, ein Material, das in der Quanteninformationstechnologie viele Vorteile bieten könnte, hat in den letzten Studien zunehmende Aufmerksamkeit erhalten. Farbzentren im Bornitrid besitzen die Fähigkeit, Licht zu emittieren und können als Qubits fungieren. Jedoch ist die Kohärenz dieser Zentren instabil. Um dem entgegenzuwirken, haben Forscher eine neue Methode entwickelt, die es ermöglicht, Defekte im Bornitrid gezielt in einen Überlagerungszustand zu versetzen und diese einzeln auszulesen. Der Elektronenstrahl, der dafür eingesetzt wird, besteht aus einzelnen Elektronen, die im Abstand von einer Nanosekunde emittiert werden und somit Lichtblitze erzeugen, die genug Energie haben, um Defekte in den Überlagerungszustand zu bringen.
Die Lichtblitze, die lediglich anderthalb Femtosekunden dauern, sind ausreichend, um die gewünschten Defekte zu aktivieren. Dabei ist es entscheidend, ein Spektrometer zur Messung der Dauer dieser Überlagerung und der externen Einflüsse auf sie zu verwenden. Bei Raumtemperatur können die Überlagerungen aufgrund schwingender Atome (Phononen) in der Umgebung bereits nach 200 Femtosekunden zusammenbrechen. Die Disparität in den Vibrationen innerhalb des Materials macht es erforderlich, lichtemittierende Defekte gezielt zu platzieren, um sie in Bereichen mit geringen Störungen durch Phononen zu verbessern.
Forschungsergebnisse und Ausblick
Eine begleitende Studie, die am 14. Januar 2025 eingereicht und letztlich am 10. Februar 2025 überarbeitet wurde, trägt den Titel „Decoherence time of the ground state spin of VB centers in hexagonal boron nitride“ und untersucht die Dekohärenzzeit der negativ geladenen Boron-Vakanzen in hexagonalem Bornitrid. Die Autorin, Fatemeh Tarighi Tabesh, und ihre Kollegen fanden heraus, dass die Hahn-Echo-Kohärenzzeit dieser Elektronenspins bei etwa 30 Mikrosekunden liegt, was signifikante Fortschritte im Verständnis der Dekohärenz von Defekten in diesem Material darstellt. Dies könnte enorm hilfreich für Quanteninformationsanwendungen sein, da die Dekohärenzzeit ein entscheidender Faktor für funktionale Qubits ist.
Das Quantencomputing hat das Potenzial, verschiedene Industrien, darunter Pharmazie und Materialwissenschaften, zu transformieren. Unternehmen wie Google und IBM haben bedeutende Fortschritte gemacht, indem sie ihre Quantencomputer über Cloud-Plattformen zugänglich machen. Der Durchbruch im Quantencomputing könnte neue Lösungen für komplexe Herausforderungen bieten, die für traditionelle Computermodelle unerreichbar sind, wie in verschiedenen Berichten zu den aktuellen Entwicklungen in der Quanteninformatik skizziert wird das-wissen.de.
Zusammenfassend zeigt die aktuelle Forschung, dass ein gezielter Ansatz zur Verbesserung der Kohärenzzeiten von Qubits und zur Minimierung der Dekohärenz in Materialien wie hexagonalem Bornitrid vielversprechend ist und einen wichtigen Schritt in Richtung praktischer Anwendungen in der Quanteninformatik darstellt. Diese Arbeiten könnten es ermöglichen, stabilere Quantenmaterialien zu entwickeln, die auch bei Raumtemperatur funktionsfähig sind.
