Was keiner erwartet hat: Perowskite funktionieren als Qubits
Perowskite als Qubits: Neue Studie zeigt stabile Spins trotz komplexer Struktur – ein Ansatz für günstigere Quantenhardware.
Sakarn Khamkaeo, Doktorand an der Universität Linköping, präsentiert einen Perowskit-Kristall, in dem sich gezielt Spin-Zustände als Qubit-Kandidaten erzeugen lassen.
Foto: Olov Planthaber
Perowskite haben sich in den vergangenen Jahren als vielseitige Werkstoffe etabliert. Sie stecken in Solarzellen, LEDs oder Röntgendetektoren. Nun rückt eine weitere Anwendung in den Fokus: Quantenbits, kurz Qubits.
Ein Forschungsteam der Universität Linköping zeigt erstmals, dass sich halogenidbasierte Perowskite als Plattform für sogenannte Spin-Qubits eignen. Die Ergebnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht und liefern eine neue Perspektive auf Materialien für Quantenhardware.
„Unsere Ergebnisse eröffnen ein völlig neues Forschungsgebiet“, sagt Yuttapoom Puttisong von der Universität Linköping.
Inhaltsverzeichnis
Warum Perowskite bisher nicht als Qubit-Material galten
In der Quantenphysik gilt ein Grundprinzip: Je stärker ein Quantenzustand mit seiner Umgebung wechselwirkt, desto schneller verliert er Information. Entscheidend ist dabei vor allem die Umgebung aus Kernspins im Material.
Viele etablierte Systeme umgehen dieses Problem, indem sie auf möglichst „ruhige“ Materialien setzen – etwa Diamant oder isotopenreines Silizium mit geringer Kernspin-Dichte.
Perowskite verfolgen den entgegengesetzten Ansatz. Sie besitzen eine vergleichsweise komplexe atomare Umgebung mit vielen Kernspins. Genau deshalb galten sie lange als ungeeignet für stabile Qubits. Die neuen Experimente zeigen jedoch ein differenzierteres Bild.
Lokalisierte Spins statt chaotischer Wechselwirkungen
Der entscheidende Punkt ist nicht die Stärke der Wechselwirkungen, sondern ihre Struktur. In den untersuchten Perowskiten sind die Elektronenspins stark lokalisiert. Dadurch koppeln sie nur an wenige benachbarte Atomkerne. Das Ergebnis: eine kontrollierbare Wechselwirkung statt eines diffusen „Spin-Bads“.
Die Forschenden messen Kohärenzzeiten von bis zu 29,5 Mikrosekunden bei 4 Kelvin – und das ohne zusätzliche Entkopplungsverfahren . Damit bewegt sich das System im Bereich anderer Festkörper-Qubit-Kandidaten mit komplexer Umgebung.
Qubits aus der Chemie: Herstellung wird zur Stellschraube
Ein zentraler Unterschied zu etablierten Ansätzen liegt in der Herstellung. Statt Defekte aufwendig in Kristalle einzubringen, entstehen die Qubits hier direkt während der Materialbildung. Die Forschenden nutzen eine lösungsbasierte Synthese und dotieren den Kristall gezielt mit Übergangsmetallen wie Chrom oder Eisen .
„Deshalb haben wir begonnen, eine neue Idee zu erforschen – unsere Qubits im Labor ‚zuzubereiten‘“, sagt Puttisong. Der Vorteil: Die Eigenschaften des Qubits lassen sich über die chemische Zusammensetzung und die lokale Kristallstruktur gezielt einstellen. Damit wird das Material selbst zur Designvariable.
Licht als Schnittstelle: Optische Kontrolle der Spins
Neben der Stabilität ist ein weiterer Punkt entscheidend: die Ansteuerbarkeit. Die Studie zeigt, dass sich die Spins in den Perowskiten optisch adressieren lassen. Bestimmte elektronische Übergänge sind spinabhängig, sodass sich Zustände gezielt mit Licht vorbereiten und auslesen lassen.
Das schafft die Grundlage für:
- Kopplung von Qubits an Photonen
- Quantenkommunikation über Licht
- skalierbare Netzwerke aus Quantenbausteinen
Wo Perowskite im Qubit-Vergleich stehen
Heute dominieren mehrere Qubit-Konzepte:
- supraleitende Schaltkreise
- Spin-Zentren in Diamant oder Siliziumkarbid
- Halbleiter-Quantenpunkte
Perowskite positionieren sich in einer anderen Kategorie: als chemisch designbare Festkörperplattform.
Ihre Stärken:
- vergleichsweise einfache und kostengünstige Herstellung
- hohe Variabilität der Materialstruktur
- Anschlussfähigkeit an optoelektronische Technologien
Gleichzeitig bleiben zentrale Herausforderungen bestehen.
Skalierung bleibt die offene Frage
Die aktuellen Ergebnisse basieren auf Messungen an vielen Spins gleichzeitig, nicht auf einzelnen Qubits. Für einen praktischen Quantencomputer braucht es jedoch:
- Kontrolle einzelner Spin-Zentren
- reproduzierbare Materialqualität
- stabile Eigenschaften bei höheren Temperaturen
Die Forschenden sehen ihre Arbeit daher als Ausgangspunkt. Ziel ist es, einzelne Qubits gezielt zu platzieren und anzusteuern.
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