Röntgenlicht ebnet den Weg für die Quantenrevolution

Mit höchstpräzisem Röntgenlicht aus Synchrotron- und Freie-Elektronen-Laser-Anlagen eröffnet die Forschung einen neuen Zugang zur Welt der Quanten­technologien. Ein internationales Team unter Beteiligung von Helmholtz-Zentren, europäischen Großforschungsanlagen und Universitäten zeigt in einer aktuellen Veröffentlichung in Advanced Functional Materials, wie modernste Röntgenmethoden zentrale Hürden der Quantenentwicklung überwinden können.

Ob supraleitende Qubits, Spin-Fehlerquellen in Halbleitern, einzelne Atome als Quantenbits oder topologische exotische Zustände – sie alle beruhen auf äußerst empfindlichen Quanteneffekten. Kleine Materialdefekte oder winzige Spannungen reichen aus, um ihre Funktionsfähigkeit zu beeinträchtigen. Genau hier setzen Synchrotronstrahlen an: Sie machen sichtbar, was bislang verborgen war.

Mit Röntgenstrahlen lassen sich heute Strukturen im Nanometerbereich, chemische Zustände einzelner Atome, magnetische Eigenschaften oder Funktionalität unter realen Betriebsbedingungen („in operando“) untersuchen – zerstörungsfrei und mit bisher unerreichter Präzision. Damit werden beispielsweise die verlustverursachenden Oxidschichten in supraleitenden Qubits identifiziert, die Position einzelner Dotierungsatome nachgewiesen oder lokale Spannungsfelder in Halbleiter-Nanostrukturen sichtbar gemacht.

Die Studie zeigt zudem, wie Quantenoptik im Röntgenbereich neue experimentelle Horizonte öffnet und umgekehrt Quantencomputer künftig die Datenanalyse an Großforschungsanlagen beschleunigen könnten.

„Röntgenlicht wird zu einem zentralen Werkzeug der Quantenära“, sagt Britta Redlich, Forschungsdirektorin für den Bereich Forschung mit Photonen bei DESY. „Es hilft uns nicht nur, die Grundbausteine zukünftiger Quantencomputer zu verstehen – sondern sie auch gezielt zu verbessern.“

Mit dem Zusammenspiel europäischer Spitzenforschung und modernster Photonenquellen wächst eine neue wissenschaftliche Brücke: „X-rays for Quantum“ – ein Schlüssel für die nächste Generation von Quantentechnologien.