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Robuste Qubits aus Silizium : Der Quantencomputer für den Alltag?

  • -Aktualisiert am

In diesem Kästchen steckt ein Quantenpunkt aus Silizium. Über Leiterbahnen wird das „künstliche Atom“ von außen angesteuert, so dass es zum Träger eines Quantenbits wird. Bild: UNSW/Ken Leanfore

Ein künftiger Quantenprozessor rechnet möglicherweise mit Quantenbits aus Silizium. Das hätte viele Vorteile. Australische Physiker haben nun eine wichtige Voraussetzung geschaffen, dass dies gelingt.

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          Von der Textverarbeitung bis zur Künstlichen Intelligenz – in der Welt der traditionellen Computer basiert alles auf den beiden binären Informationseinheiten „1“ und „0“. Quantencomputer hingegen nutzen sogenannte Quantenbits, kurz Qubits genannt. Qubits sind nicht begrenzt auf zwei Zustände, sondern können alle möglichen Einstellungen dazwischen einnehmen. Diese Tatsache lässt die Rechenleistung eines Quantencomputers mit der Zahl der Quantenbits exponentiell ansteigen. Doch noch ist diese Technologie nicht ausgereift. Die Schwierigkeit besteht insbesondere darin, brauchbare Qubits zu entwickeln, die sich in ausreichendem Maße kontrollieren und verschalten lassen.

          Prinzipiell kommt jedes quantenmechanische Zweizustandssystem in Frage, etwa der Eigendrehimpuls – üblicherweise als Spin bezeichnet – von Elektronen oder von Atomkernen. In der Praxis erweisen sich viele Ansätze jedoch als ungeeignet, da sie zu störanfällig sind oder nicht ausreichend manipuliert werden können. Hinzu kommt, dass die Systeme oftmals nur mit aufwendigen Apparaturen funktionieren, etwa mit leistungsfähigen Kühlsystemen.

          Künstlerische Darstellung des logischen Quantengatters, das australische Forscher um Andrew Dzurak entwickelt haben. Jedes Quantenbit (rot und blau) wird durch den Elektronenspin (Pfeil) symbolisiert. Die beiden Würfel darüber repräsentieren die Metallelektroden, über die die Qubits angesteuert und manipuliert werden, so dass ein verschränkter Zustand entsteht. Eine wichtige Voraussetzung für einen funktionierenden Quantencomputer.

          Wissenschaftler von der University of New South Wales in Sydney haben nun einen vielversprechenden Ansatz für Quantenbits entwickelt, der zur Basis eines alltagstauglichen Quantencomputers werden könnte. Wie der leitende Forscher Andrew Dzurak und seine Kollegen in der Zeitschrift „Nature Communications“  berichten, schufen sie vergleichsweise stabile Qubits in Gestalt von winzigen Halbleiterstrukturen aus Silizium, sogenannten Quantenpunkten. Im Gegensatz zu anderen Qubit-Architekturen hat die Errungenschaft aus Sydney den entscheidenden Vorteil, dass sie mit den gleichen Halbleitertechnologien gefertigt werden kann, die man auch zur Produktion aller modernen Computerchips verwendet. Dadurch ist das australische Quantensystem skalierbar.

          Der Weg zu robusteren Quantenbits

          Bei Quantenpunkten (engl. quantum dots) handelt es sich generell um Materialstrukturen, die keine nennenswerte räumliche Ausdehnung haben. In deren Innern sind Ladungsträger in ihrer Beweglichkeit derart eingeschränkt, dass ihre Energie nicht mehr kontinuierliche, sondern nur noch diskrete Werte annehmen kann. Als Folge bilden sich, ähnlich wie bei den Elektronenhüllen der Atome, Schalen aus – der Grund, weshalb man Quantenpunkte bisweilen auch künstliche Atome nennt. Der Elektronenspin solcher künstlicher Atome lässt sich als Quantenbit nutzen: Er kann, vereinfacht gesagt, entweder nach „oben“ oder „unten“ zeigen beziehungsweise sich in einem beliebigen Zwischenzustand befinden.

          Im Jahr 2015 gelang es den Forschern um Dzurak, erstmals zwei solcher Qubits in Siliziumbauteilen miteinander zu verschalten und so ein elementares logisches Quantengatter zu verwirklichen. In jedem künstlichen Atom war jeweils nur ein einzelnes Elektron gefangen. Mit elektrischen und magnetischen Feldern ließen sich die Quantenbits kontrollieren und manipulieren und so einfache Rechenoperationen ausführen. Gleichwohl erwiesen sich die Quantenbits bisher als ziemlich anfällig gegenüber Ladungsschwankungen und anderen Störungen. Das lag vor allem an Unregelmäßigkeiten der Siliziumbauteile auf atomarer Ebene.

          Um ihre Quantenpunkte robuster zu gestalten, haben die Forscher um Dzurak einem Quantenpunkt sukzessive weitere Elektronen zugefügt – bis zu 31 Stück. Die Ladungsträger ordneten sich in insgesamt vier Schalen an, wie spektroskopische Untersuchungen offenbarten. Tests zeigten, dass die entwickelten Quantenpunkte deutlich robuster sind als jene, die nur ein Elektron besitzen.

          Andrew Dzurak (mitte) mit seinen Mitarbeiter Wister Huang (links) und Henry Yang vor der Apparatur, die die Quantenbits aus Silizium beherbergt.

          Als quantenmechanisches Zweizustandssystem diente dabei der Elektronenspin des Elektrons in der äußersten Schale. Die Forscher glauben, dass bei diesem Aufbau die Elektronen der inneren Schalen Störungen abschirmen. Sie würden wie eine Grundierung auf der unvollkommenen Oberfläche des Quantenpunktes wirken und Unebenheiten glätten, spekuliert Ross Leon einer der Autoren der Studie. Das verleihe dem Elektron in der äußeren Schale Stabilität. Ein weiterer Pluspunkt der Silizium-Quantenbits gegenüber anderen Qubit-Architekturen: Sie funktionieren prinzipiell unter alltagsüblichen Bedingungen, insbesondere auch bei Raumtemperatur. (Anm. der Red.: Für ihre Experimente mussten die Forscher die Quantenbits aus Silizium allerdings auf eine Betriebstemperatur von rund minus 271 Grad kühlen. Wärmestrahlung und die Wärmebewegung der Atome hätte die fragilen Quantenzustände sonst sofort zerstört.

          Der Quantencomputer von Google „Sycamore“ etwa nutzt supraleitende Schaltkreise als Qubits, deren quantenmechanische Eigenschaften erst bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt auftreten, bei rund minus 270 Grad Celsius. Mit insgesamt 53 miteinander verschalteten Qubits ist der Apparat der bislang größte Quantencomputer: Eine Berechnung, für die herkömmliche Hochleistungsrechner ungefähr zehntausend Jahre gebraucht hätten, schaffte er in zweihundert Sekunden. Allerdings taugt „Sycamore“ bislang nur für eine spezielle Aufgabe, und die tiefe Betriebstemperatur spricht gegen eine künftige Verwendung im Alltag. Qubits auf Siliziumchips könnten daher eine brauchbarere Alternative darstellen, sollte es tatsächlich irgendwann gelingen, sie in großer Anzahl zu verschalten und nach Belieben zu manipulieren. (Anm. der Red.: Ob ein Quantencomputer aus Silizium tatsächlich eines Tages bei Raumtemperatur funktionieren wird, ist fraglich. Zudem wird der Silizium-Quantenrechner, falls es ihn eines Tages geben sollte, wie alle Quantencomputer über die Cloud zugänglich sein.)

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