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Quantencomputer: Sensible Qubits kommunizieren per Lichtstrahl

Quantenbits in Form sogenannter Spin-Qubits, Grundrecheneinheiten zukünftiger Quantencomputer, können Daten per Mikrowelle austauschen, wie Physiker jetzt gezeigt haben. Parallel hat auch Chip-Riese Intel angekündigt, auf Spin-Qubits zu setzen.

Quantencomputer: Sensible Qubits kommunizieren per Lichtstrahl

Intel hat eine Produktionslinie für Spin-Qubits entwickelt, die die vorhandene 300-mm-Wafertechnik nutzt.

(Bild: Intel)

In Silizium-Fehlstellen eingebettete Elektronen, beziehungsweise ihr Spin, entpuppen sich mehr und mehr als vielversprechende Grundeinheiten für Quantencomputer. Die sogenannten Spin-Qubits können mit dem elektromagnetischen Feld von Mikrowellen gekoppelt werden. So lassen sich deren hochempfindliche Quantenzustände störungsfrei auslesen und übertragen, wie eine Forschungsgemeinschaft der Princeton University, der Universität Konstanz und des Joint Quantum Institute in Maryland im Versuch jetz in der Fachzeitschrift Nature berichtete (Preprint: A coherent Spin-Photon Interfacein Silicon).

Kopplung zwischen Elektronenspins (rot) und Licht (grün)

(Bild: Dr. Mónica Benito)

Dazu erzeugten die Physiker zunächst Spin-Qubits, indem sie einzelne Elektronen gezielt in winzige Doppelkammern im Silizium einschlossen. Der Spin dieser Elektronen - vereinfacht so etwas wie der Eigendrehimpuls - dient dabei als Speichermedium für Information. Mittels eines Magnetfelds gelang es den Forschern, die Quanteninformationen des Elektronenspins auf ein Mikrowellen-Photon zu übertragen. Dieser Schritt eröffnet die Möglichkeit, Quanteninformationen auf andere Qubits zu übertragen, die weiter als nur wenige Nanometer entfernt liegen – bis dato eine der Herausforderungen in der Quantencomputer-Entwicklung. Die Arbeitsgruppe um Ronald Hanson am Qutech-Institut in Delft hat die Spins von Elektronen in Diamantgitter-Fehlstellen über mehr als einen Kilometer Enfernung mit Hilfe von Laser-Photonen gekoppelt. Allerdings ist das Vefahren bisher nur theoretisch geeignet, Quanteninformationen zu übertragen.

Die Forscher denken, dass ihre Methode ein weiteres Problem lösen könnte: Qubits sind hochempfindlich gegenüber Störquellen von außen, zum Beispiel Erschütterungen oder Hitze. Bereits das einfache Auslesen eines Qubits könnte seinen Quantenzustand zerstören. Der neue Ansatz umgeht diese Schwierigkeit, da laut den Forschern beim Ausleseverfahren mit Licht die Position und der Zustand des Elektrons nur minimal verändert wird.

Intel erklärt das Programmieren eines Quantenrechners

Im Vorfeld der gerade eröffneten AAAS-Jahrestagung (American Association for the Advancement of Science) hat sich Intel explizit auch für das Spin-Qubit-Modell ausgesprochen. Zwar beruhen die derzeit leistungsfähigsten Quanten-Prozessoren von Google oder IBM auf supraleitenden Schleifen. Gegenüber den supraleitenden Qubit-Varianten erweise sich das technische Modell von Spin-Qubits als platzsparender und damit kleiner zu verbauen – ein wichtiger Vorteil, um in künftigen Systemen Tausende und sogar Millionen Qubits zusammenzubringen.

Ein zweiter Vorteil sind die erforderlichen Temperaturen. Während Spin-Qubits nach heutigem Wissen bei etwa 1 Kelvin (-272,15 °C) eingesetzt werden können, verlangen supraleitende Qubits Temperaturen von 20 mK (-273,13 °C). Dieser Unterschied gilt als wesentlich und erlaubt eine weit weniger komplexe Bauweise des Quantencomputers, elektronische Komponenten könnten dann deutlich näher an den Prozessor heranrücken. Schließlich wirbt Intel mit seinem Know-how in der Halbleiterfertigung, die in der Produktion von Spin-Qubit-Wafern von Vorteil sein werde.

Gemeinsam mit dem Forschungsinstitut Qutech an der TU Delft, Niederlande, stellt Intel auf der AAAS-Jahrestagung bereits einen ersten Quantenrechner mit zwei Spin-Qubits vor. Gleichwohl werde man in der Qutech-Kooperation weiter auch die Forschung an supraleitenden Qubits fortführen.

Darüber hinaus kündigt der Chiphersteller an, auf der Grundlage seiner 300-mm-Wafer eine Produktion neuer Spin-Qubit-Testchips aufzubauen. Eine Herausforderung dabei sei allerdings die Herstellung Isotopen-freier Wafer. In einigen Monaten erwarte man, hier zahlreiche Spin-Qubit-Wafer pro Woche produzieren zu können, jeweils mit Tausenden Qubit-Arrays. (agr)

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