29. September 2026

Foto: UHH, Lucas Schneider (links); UHH/CUI (rechts)

Bei längeren atomaren Ketten befinden sich die Majorana-Teilchen an den Enden. Hier können Quanteninformationen gespeichert werden.

Experimentelle und theoretische Gruppen im CUI-Cluster benutzen clever aneinandergereihte Atome, um neue exotische „Quasiteilchen“ zu erzeugen. Dafür verbinden sie Magnetismus und Supraleitung auf der atomaren Skala. Die dadurch entstehenden Teilchen — bekannt als Majorana-Teilchen — haben das Potenzial, das Speichern und Manipulieren von Quanteninformationen in Quantencomputern zu revolutionieren. Im Magazin „Advanced Imaging of Matter – sieben Jahre CUI im Focus“ werden die neuen Möglichkeiten beleuchtet.

Neue Teilchenarten, wie das im Jahr 2012 erstmals nachgewiesene Higgs-Boson, können nicht nur in Teilchenbeschleunigern, sondern auch als sogenannte „Quasiteilchen“ in Metallen, Halbleitern und Supraleitern entdeckt werden. Quasiteilchen entstehen im Allgemeinen durch die Wechselwirkung von Elektronen oder anderen Elementarteilchen und sind für eine Vielzahl technologischer Anwendungen von großem Interesse. Forschende aus der Arbeitsgruppe von Prof. Roland Wiesendanger gelangen große Schritte in Richtung der Erzeugung von neuartigen exotischen Quasiteilchen durch präzises Aneinanderketten von magnetischen Atomen auf einem Supraleiter. Wenn eine solche Kette magnetischer Atome korrekt ausgerichtet ist, dann können Majorana-Teilchen entstehen. Der Prozess konnte in Zusammenarbeit mit den CUI-Theoriegruppen von Prof. Michael Thorwart und Dr. Thore Posske erfolgreich modelliert werden, wobei die Entstehung der Majorana-Teilchen in atomaren Ketten verschiedener Länge beschrieben wurde.

Fehlerfreies Quantenrechnen bis zu mehreren Milliarden Operationen pro Sekunde 

Für lange atomare Ketten finden die Simulationen an den Enden der Kette Majorana-Teilchen, bei kürzeren Ketten deren Vorläufer. Für Anwendungen ist dabei ausschlaggebend, dass sowohl in Majorana-Teilchen als auch in ihren Vorläufern Quanteninformation gespeichert werden kann. Diese kann zudem durch die Vertauschung von Majorana-Teilchen in Netzwerken von Ketten manipuliert werden, sodass sich Rechnungen ausführen lassen. Damit sind Majorana-Teilchen vielversprechende Kandidaten zur Realisierung von Quantencomputern, insbesondere weil, wie theoretisch gezeigt wurde, solche Quantencomputer fehlertolerant sind, also robust gegenüber Imperfektionen.

Die Arbeit unterstreicht, wie ein unkompliziertes lokales Zusammenwirken von Experiment und Theorie sich gegenseitig stimulieren kann, um weltweit Einzigartiges zu erreichen. „Inspiriert von den Experimenten an den Ketten haben wir Majorana-Teilchen in magnetischen Vortizes weiter erforscht und konnten zeigen, dass fehlerfreies Quantenrechnen bis in den Gigahertz-Bereich – also bis zu mehreren Milliarden Operationen pro Sekunde – möglich ist. Im Jahr 2024 wurde uns ein US-Patent zu Quantenrechnen mit Majorana-Teilchen bewilligt“, sagt Posske. „Wir haben außerdem eine direkte Identifikation dieser exotischen Teilchen durch spektroskopische Methoden vorschlagen“.

Ein neuer Weg zu künstlichen Molekülen und Quantenmaterialien

Darüber hinaus eröffnen die Ergebnisse der Hamburger Forschenden das Feld der synthetischen Shiba-Materialien, mit weitreichendem Potenzial für die Grundlagenforschung zu exotischen Materiezuständen und Anwendungen in Quantentechnologien. Dabei werden mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops magnetische Atome, sogenannte Shiba-Atome, atomar präzise auf einer supraleitenden Oberfläche positioniert. Dadurch werden ihre Wechselwirkung sowie die Hybridisierung der zugehörigen quantenmechanischen Zustände gezielt manipuliert. „Die Möglichkeiten sind schier unbegrenzt“, sagt Dr. Lucas Schneider, Postdoktorand in der Gruppe Wiesendanger. „Ketten, zweidimensionale Gitter, künstliche Moleküle und Qubits: All dies können wir konstruieren, mit dem Ziel, elektronische Eigenschaften zu simulieren und zu verändern“. Text: Lucas Schneider, Thore Posske, Jens Wiebe, Michael Thorwart, Roland Wiesendanger (UHH)

Frage an Thore Posske: Was ist das Besondere an Ihrer Forschung?

„Für die Forschung brauchen wir auf der einen Seite tiefe Denker, die sich einem Problem widmen und es ganz durchdringen. Auf der anderen Seite brauchen wir Kommunikation und eine Wertschätzung der Qualifikation anderer, um schnell voranzukommen. In meiner Forschungsweise versuche ich, alle Aspekte abzudecken und ermutige Studierende und Pro-movierende aus ihrer Komfortzone zu kommen und die Vorteile auf beiden Seiten kennenzulernen.

Was mich inhaltlich antreibt, ist, wie man Quanteneffekte stabilisieren kann. Wenn Dinge immer kleiner werden, werden sie immer fragiler und können mit weniger Aufwand verändert werden. Aber wir kennen Systeme wie den Quanten-Hall-Effekt, bei denen das nicht so ist. Wenn wir die Mechanismen dahinter verstehen und erweitern, wie bei topologischen Isolatoren und Supraleitern, dann könnten wir vielleicht Apparate bauen, die Quanteneffekte in unseren Alltag bringen. Ich denke, dass Quantencomputer, das Quanteninternet und Quantenmessungen nur ein kleiner Teil der Anwendungsmöglichkeiten sind, deren Ausmaß wir erst beginnen zu verstehen."

Thore Posske forscht seit 2020 am Cluster und ist Arbeitsgruppenleiter an der Universität Hamburg.

Literatur

• H. Kim et al., Science Advances 4, eaar5251 (2018).
• L. Schneider et al., Nature Physics 17, 943 (2021).
• L. Schneider et al., Nature Nanotechnology 17, 384 (2022).
• T. Posske et al., Physical Review Research 2, 23205 (2020).
• T. Posske et al., US-Patent 11934917 (2024).
• F. Gerken et al., Physical Review Letters 129, 017401 (2022).
• P. Beck et al., Communications Physics 6, 83 (2023).
• L. Schneider et al., Nature Communications 14, 2742 (2023).
• R. Lo Conte et al., Riv. Nuovo Cim. (2025) https://doi.org/10.1007/s40766-024-00060-1.
• S. Rachel und R. Wiesendanger, Physics Reports 1099, 1 (2025)