Quantenkohärente Manipulation und Auslese supraleitender Wirbelzustände

Eine neue Methode zur Speicherung von Quanteninformation

Quantencomputer versprechen die Lösung von Problemen weit über die Fähigkeiten heutiger Rechner hinaus, doch ihre Bausteine — Qubits — sind fragil und schwer zu konstruieren. Diese Studie zeigt eine unerwartete neue Art von Qubit, die in supraleitenden Materialien selbst verborgen liegt: winzige Wirbel magnetischen Feldes, die Quantenspins wie kleine Strudel bilden und überraschend lange Quanteninformation speichern können. Aus dem, was bisher als Ärgernis galt, eine nützliche Ressource zu machen, könnte neue Wege zu einfacheren, robusteren Quantentechnologien eröffnen.

Wenn Supraleiter das Magnetfeld hereinschlüpfen lassen

Supraleiter sind dafür bekannt, Magnetfelder aus ihrem Inneren zu verdrängen — ein Phänomen, das Technologien von der MRT bis zu empfindlichen Detektoren ermöglicht. Wird das angelegte Magnetfeld jedoch stark genug, kann es den Supraleiter in diskreten, fadenartigen Bündeln durchdringen, den sogenannten Wirbeln. In gewöhnlichen Materialien verhält sich das Zentrum eines Wirbels wie normales Metall, was Reibung und Energieverlust nach sich zieht, sobald sich der Wirbel bewegt. Deshalb galten Wirbel lange als Störfaktor, der die Leistung supraleitender Bauteile und Qubits mindert. Der entscheidende Dreh in dieser Arbeit ist, dass in einem stark gestörten, granulären Supraleiter — bestehend aus vielen winzigen Aluminiumkörnern, getrennt durch dünne isolierende Barrieren — das Innere eines Wirbels ‚gegapt‘ bleiben kann, also nicht leicht Energie dissipiert. Unter diesen Bedingungen hören Wirbel auf, sich klassisch zu verhalten, und zeigen stattdessen voll quantenmechanisches Verhalten.

Wirbel als quantenmechanische Zwei-Zustands-Systeme

Die Forschenden fertigten einen schlanken Mikrowellenresonator aus granulärem Aluminium, kühlten ihn auf wenige Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt und legten beim Abkühlen ein kleines Magnetfeld an. Durch dieses Verfahren werden Wirbel an bestimmten Orten im Bauteil eingefangen. Indem sie dann das Magnetfeld variierten und die Mikrowellenantwort des Resonators untersuchten, beobachtete das Team deutliche Hinweise darauf, dass der Resonator stark mit einem schaltbaren Zwei-Niveausystem gekoppelt war — im Wesentlichen ein Quantenobjekt mit nur Grund- und angeregtem Zustand — das mit der Anwesenheit der Wirbel verbunden ist. Sie konnten Übergänge zwischen diesen beiden Zuständen mit kurzen Mikrowellenpulsen anregen, genauso wie man ein konventionelles supraleitendes Qubit manipuliert, und sie konnten den Zustand auf eine Weise auslesen, die ihn nicht zerstört — eine sogenannte quanten-nicht-destruktive Messung.

Langlebige quantenmechanische Wirbel

Zeitaufgelöste Messungen zeigten, dass diese wirbelbasierten Zustände ihre Energie hunderte von Mikrosekunden lang behalten, und damit mit der Lebensdauer einiger sorgfältig entwickelter Qubits in heutigen Spitzenexperimenten konkurrieren. Die Phasenkohärenz — die Eigenschaft, die Quantensuperpositionen ermöglicht — hielt mikrosekundenlang an und ließ sich mittels Echo-Techniken verlängern, die langsame Umweltdrifts auslöschen. Statistische Untersuchungen über viele Abkühlzyklen deuteten darauf hin, dass diese ‚Wirbelqubits‘ über Stunden bis Wochen stabil sind, wobei sich ihre mikroskopische Konfiguration von einem Abkühlen zum nächsten ändern kann, was unterschiedliche Anordnungen von Wirbeln in der granulären Landschaft widerspiegelt.

Eine Landschaft aus Fallen und quantenmechanischem Tunneln

Um zu erklären, wie ein Wirbel als quantenmechanisches Zwei-Zustands-System wirken kann, modellierten die Autorinnen und Autoren, wie es die Energie-Landschaft innerhalb des schmalen supraleitenden Streifens erfährt. Da der Film granular und gestört ist, gibt es viele winzige ‚Pinning‘-Stellen, die Wirbel lokal festhalten. Wenn das Magnetfeld angepasst wird, ändert sich die relative Tiefe dieser Fallen und erzeugt effektiv ein Doppelmuldenpotenzial: zwei nahe beieinander liegende Tiefenergiepositionen, getrennt durch eine Barriere. In der Nähe eines speziellen ‚Sweet-Spot‘-Feldes werden die beiden Mulden annähernd energetisch gleich, und der Wirbel kann quantenmechanisch zwischen ihnen tunneln, statt klassisch zu springen. In diesem Regime ist der Wirbel nicht mehr auf eine Seite beschränkt; sein Zustand ist stattdessen eine Überlagerung, gleichzeitig in beiden Fallen zu sein, und bildet so das Zwei-Zustands-System, das mit dem Resonator koppelt.

Von unerwünschten Defekten zu nützlichen Quantenwerkzeugen

Indem gezeigt wird, dass gefangene Wirbel in einem granulären Supraleiter sich als steuerbare, langlebige Qubits verhalten können, wandelt diese Arbeit einen langjährigen Nachteil supraleitender Bauteile in eine Chance. Wird das Grundbild — Wirbel tunneln zwischen benachbarten Pinning-Stellen in einem gestörten, kontaktartigen Netzwerk — durch künftige Bildgebungs- und Spektroskopie-Experimente bestätigt, könnten ähnliche wirbelbasierte Qubits in einer breiten Palette von Materialien realisiert werden. Da sie unmittelbar aus der Struktur des Supraleiters entstehen, könnten solche Zustände sowohl als integrierte Sonden mikroskopischer Unordnung dienen als auch als Bausteine einer neuen, wirbelbasierten Plattform für Quanteninformationsverarbeitung und ultrasensitive Sensorik.

Zitation: Nambisan, A., Günzler, S., Rieger, D. et al. Quantum coherent manipulation and readout of superconducting vortex states. Nature 653, 63–67 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10441-7

Schlüsselwörter: supraleitende Qubits, granuläres Aluminium, magnetische Wirbel, Quantenkohärenz, Quantenmaterialien