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Neue Rekorde beim Quantencomputing auf Siliziumbasis.

Australische Forscher melden Erfolge mit QuBits in isotopenreinem Silizium-28. Mit den Qubits ließen sich für Festkörper bisher nie erreichte Genauigkeiten von über 99 Prozent oder gar beim Phosphor-Kernspin 99,99 Prozent erzielen.

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Eine künstlerische Gestaltung der elektronischen Wellenfunktion (blau) im Kristallgitter des kernspinfreien, isotopenreinen Si-28

(Bild: Dr. Stephanie Simmons, UNSW)

Wenn es um Quantencomputing geht, ist das Centre for Quantum Computing & CommunicationTechnology rund um die rührige Direktorin Prof. Michelle Simmons der Universität von New South Wales in Australien (UNSW) immer vorne mit dabei.

Zwei Teams des Zentrums unter Leitung der Professoren Andrew Dzurak und Andrea Morello haben nun zwei Nature-Artikel veröffentlicht über zwei verschiedene mit Spins arbeitende QuBit-Typen in isotopenreinem, kernspinfreiem Si-28, bei dem kein Spin-Rauschen der anderen Isotope stört: eine Art künstliches Atom (Quantum Dot Bit) aus kleinen lithografisch erzeugten Elektroden an der Silizium-Oberfläche, das man gut steuern kann und ein natürliches Phosphor-Atom im selben ultrareinen Halbleitermaterial, das schwieriger zu verkoppeln, dafür aber langlebiger ist.

Die Autoren erklären ihr Vorgehen.

Mit beiden Qubits ließen sich für Festkörper bisher nie erreichte Genauigkeiten von über 99 Prozent oder gar beim Phosphor-Kernspin 99,99 Prozent erzielen. Auf ähnliche Genauigkeiten kommen auch supraleitende Josephson-Elemente, wie sie im DWAVE-Quantenrechner eingesetzt werden. Genauigkeiten von quantenmechanischen Operationen werden dabei mit einem Benchmark mit zufälligen Werten sogenannter Clifford-Operatoren gemessen. Die Fehlerquote ist nun klein genug, um sie mit der Quanten-Fehlerkorrektur zu eliminieren, so wie "für Anfänger" hier beschrieben ist.

Mit 35 Sekunden Koheränzzeit beim individuellen Kernspin eines Phosphoratoms erreichten die australischen Forscher zudem für Quantenzustände geradezu eine Ewigkeit an Stabilität. Im normalen Silizium liegt die Zeit bei unter einer Sekunde, bevor die Quanteninformation verloren geht. Die supraleitenden QuBits überleben bislang nicht einmal 100 Mikrosekunden, was aber zum Rechnen ausreicht, wenn die Einpendelzeit (Quantum annealing time), also die Zeit bis zum Erreichen eines stabilen Zustandes, weit darunter liegt. Beim DWAVE-Prozessor beträgt sie derzeit 20 Mikrosekunden.

Ähnlich wie bei den Josephson-Elementen benötigt man aber auch bei den vorgestellten Spin-Qubits sehr tiefe Temperaturen im Millikelvin-Bereich. Es gibt aber auch erste Erfolge mit Einzelspins bei Zimmertemperatur, etwa beim Stickstoff in Diamanten (NV Center). (as)