Quantencomputer werden herkömmliche Computer hinsichtlich ihrer Verarbeitungsgeschwindigkeit voraussichtlich weit übertreffen, benötigen jedoch eine große Anzahl von Qubits. Die Forschung an Quantenpunkten ist entscheidend, um diese Hürde zu überwinden. Forscher des Instituts für fortgeschrittene Materialien der Universität Tohoku in Japan haben bedeutende Fortschritte bei der Realisierung von Quanteninformationsverarbeitungstechnologien der nächsten Generation erzielt. Ihre Ergebnisse wurden in *Scientific Reports* veröffentlicht.

Dem Forschungsteam gelang es, dreifach gekoppelte Quantenpunkte in Zinkoxid herzustellen und elektrisch zu steuern. Zinkoxid ist ein Oxidhalbleiter. Während bereits zuvor einzelne und doppelte Quantenpunkte darin hergestellt wurden, stellt die großflächige Fertigung mehrerer steuerbarer Quantenpunkte eine enorme Herausforderung dar. Durch die Kopplung mehrerer Quantenpunkte lassen sich komplexe Quantenphänomene untersuchen und potenzielle Quantencomputerarchitekturen entwickeln.

Das Team beobachtete außerdem den Effekt der Quanten-Zellulären Automaten (QCA), ein Phänomen, das nur in Systemen auftritt, die aus drei oder mehr gekoppelten Quantenpunkten bestehen. Unter der Leitung von Tomohiro Otsuka fertigte das Team eine Zinkoxid-Heterostruktur, die durch präzise elektrische Feldsteuerung drei gekoppelte Quantenpunkte erzeugen kann. Sie bestätigten, dass jeder Quantenpunkt einen Zustand mit wenigen Elektronen erreicht – eine Schlüsselbedingung für die Anwendung von Qubits. Durch die Analyse der Elektronentransporteigenschaften wurde der QCA-Effekt nachgewiesen. Dieser Effekt beschreibt die Beeinflussung benachbarter Quantenpunkte durch elektrostatische Kopplung mittels Ladungsverteilung eines Quantenpunkts, wodurch die gleichzeitige Bewegung zweier Elektronen induziert wird. Dies ist ein Schlüsselmechanismus für die Realisierung energieeffizienter Quantenlogikoperationen.

Otsuka erklärte, dass Zinkoxid mehrere steuerbare Quantenpunkte aufnehmen und komplexe Quantenwechselwirkungen eingehen kann. Der nächste Schritt ist die Erforschung der kohärenten Quantenkontrolle und Qubit-Manipulation in Oxidsystemen. Diese Forschung, die das gängige Material Zinkoxid zur Erzeugung und Steuerung von Qubits nutzt, eröffnet neue Wege und stellt einen wichtigen Schritt zur Bewältigung der Herausforderungen beim Aufbau stabiler und skalierbarer Quantensysteme dar. Sie birgt das Potenzial, Bereiche wie Materialdesign, Arzneimittelentwicklung und Datensicherheit grundlegend zu verändern.

Weitere Informationen: Koichi Baba et al., „Formation of few-electron three-quantum-dot structures in ZnO heterostructures“, *Scientific Reports* (2025). Zeitschrifteninformationen: *Scientific Reports*