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Fehlerfreier Quantencomputer : Der Shootingstar aus Silizium

Illustration von drei Qbits in einem quantenmechanisch verschränkten Zustand. Verschränkung ist das Geheimnis der exponentiellen Rechenleistung eines Quantencomputers. Bild: Tony Melov / UNSW

Konkurrenz für die Wunderrechner von Google & Co. Ein künftiger Quantencomputer rechnet möglicherweise mit Quantenbits aus Silizium. Das hätte viele Vorteile. Gleich drei Forschergruppen haben eine wichtige Voraussetzung geschaffen.

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          Auch wenn bereits die ersten kommerziellen Quantencomputer Einzug in Re­chenzentren halten – wie jüngst das System „Advantage“ von D-Wave am Forschungszentrum Jülich –, so ist man von der Entwicklung eines universell programmierbaren und fehlertoleranten Quantencomputers noch weit entfernt. Die quantenphysikalischen Informationseinheiten, die Quantenbits, die überwiegend durch gespeicherte Ionen oder supraleitende Mikrowellenre­­so­natoren realisiert werden, sind nach wie vor recht fragil und störanfällig. Wärmestrahlung, Rauschen und Streufelder können die Zustände der Qbits zerstören, was unweigerlich zu Rechenfehlern führt. Zudem bereitet die Skalierbarkeit Schwierigkeiten: Die Leistungsfähigkeit der Quantenprozessoren lässt sich nicht ohne Weiteres steigern, indem man le­diglich die Zahl der Quantenbits ver­größert. Je mehr Qbits vorliegen, umso schwieriger wird es, jedes einzelne von störenden Einflüssen abzuschirmen und zu kontrollieren.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Viele Forschergruppen sehen in Quantencomputern aus Silizium schon länger eine Alternative, vor allem zu den supraleitenden Systemen, wie sie IBM, Google und D-Wave favorisieren. Dazu zählen auch die Entwickler des Chipherstellers Intel. Denn in dem Halbleitermaterial lassen sich äußerst kompakte und stabile Quantenbits verwirklichen. Auch konnte durch eine Erhöhung der Arbeitstemperatur der Kühlaufwand im Vergleich zu den su­praleitenden Systemen reduziert werden. Ein weiterer Vorteil: Quantenschaltkreise auf Siliziumbasis lassen sich mit den gängigen Halbleitertechniken fertigen und auf einem Mikrochip unterbringen. Dadurch ist es mög­lich, Quantensysteme aus Silizium auf relativ einfache Weise zu skalieren.

          Illustration des 2-Qbit-Prozessors aus Silizium von der TU-Delft.Die beiden Kugeln symbolisieren die beiden Elektronen-Qbits.
          Illustration des 2-Qbit-Prozessors aus Silizium von der TU-Delft.Die beiden Kugeln symbolisieren die beiden Elektronen-Qbits. : Bild: Marieke de Lorijn, QuTech Delft

          Drei Forschergruppen aus Australien, Japan und den Niederlanden ha­ben nun eine weitere Hürde nehmen können, die der Praxistauglichkeit bislang im Weg stand. Sie haben einfache Silizium-Quantenprozessoren entwickelt, die so zuverlässig rechnen, wie es die supraleitenden Quantenbits der Systeme von IBM oder Google bereits tun.

          Rechenfehler früh erkennen und rasch beheben

          Zwar war es schon früher gelungen, ein­zelne Qbits 35 Sekunden lang stabil zu halten – für Quantensysteme eine Ewigkeit. Zum Vergleich: Die supra­leitende Qbits bleiben nur 100 Millisekunden lang kohärent. Versuchte man aber, zwei Silizium-Quantenbits zu logischen Gattern zu kombinieren, um tatsächlich Rechenoperationen auszuführen, musste man bisher mit einer hohen Fehlerquote bei den Ergebnissen rechnen. Mit verschiedenen Ansätzen ist es den drei Forschergruppen gelungen, die Fehlerrate deutlich unter ein Prozent zu drücken. Fehler, die trotz aller Maßnahmen auf­treten, lassen sich nun rechtzeitig erkennen und schnell korrigieren, schreiben die Wissenschaftler in der Zeitschrift „Nature“. Damit scheint der Weg frei für den Bau fehlertoleranter größerer Quan­tenprozessoren aus Silizium.

          Gerade 1,5 mal 1,5 Millimeter groß ist der japanische Quantenchip mit seinen zwei Silizium-Quantenbits. Die elektrischen Kontakte bestehen aus Gold.
          Gerade 1,5 mal 1,5 Millimeter groß ist der japanische Quantenchip mit seinen zwei Silizium-Quantenbits. Die elektrischen Kontakte bestehen aus Gold. : Bild: Forschungszentrum Riken, Akito Noiri

          Die niederländischen Wissenschaftler um Lieven Vandersypen von der TU Delft und die japanischen Physiker um Akito Noiri vom Forschungszentrum Riken bei Tokio nutzten als Quantenbits die Eigendrehimpulse (Spins) einzelner Elektronen, die in winzigen Siliziumstrukturen, sogenannten Quantenpunkten, wie in ei­ner Art Käfig isoliert waren. Spins sind ideale Quantenbits: Sie können gleichzeitig nach unten und nach oben „zeigen“ oder – genauer gesagt – als Überlagerung aus beiden Zuständen existieren. Die Quantenpunkte hatten die Wissenschaftler zur Ab­schirmung in dünne übereinander ge­stapelte Siliziumschichten einge­bet­tet.

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