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„Heiße“ Quantenbits : Temperatursprung beim Quantenrechner

Künstlerische Darstellung von zwei Quantenbits, die miteinander verschränkt sind. Bild: Luca Petit/ Qutech/TU Delft

Noch arbeiten die Quantencomputer bei extrem tiefen Temperaturen. Entsprechend hoch ist der Kühlaufwand. Das könnte sich bald ändern, wie Forschungen aus Delft und Sydney zeigen.

          2 Min.

          Neben der Künstlichen Intelligenz gilt der Quantencomputer als das „nächste große Ding" in der Computerwelt. Die Rechenmaschine soll, weil sie nach den Regeln der Quantenphysik rechnet, große Datenbanken in Windeseile durchforsten und riesige Datenmengen extrem schnell verarbeiten können - und darin Muster erkennen, die für einen klassischen Supercomputer trotz intelligenter Algorithmen nur schwer auszumachen sind. Der Grund für die Überlegenheit: Ein Quantencomputer verarbeitet nicht nur Bits, sondern auch unendlich viele Zwischenzustände. Und das gleichzeitig.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Die Träger von Qubits, wie man die Informationsträger eines Quantencomputers nennt, können Ionen in einer Teilchenfalle sein, aber auch supraleitende Resonatoren  oder  verschränkte Elektronen in einem Festkörper. Allerdings haben die meisten Systeme den Nachteil, dass sie nur dann zuverlässig funktionieren, wenn man sie bis dicht an den absoluten Temperatur-Nullpunkt (minus 273,15 Grad) kühlt. Entsprechend hoch ist der technische Aufwand. Doch es zeichnet sich ein Silberstreifen am Horizont ab.  So können Quantencomputer auf Festkörperbasis möglicherweise bald auch bei weniger frostigen Temperaturen betrieben werden, als es bislang der Fall ist.

          Qattengatter aus zwei „heißen“ Quantenbits

          Zwei Forschergruppen präsentieren in der Zeitschrift „Nature“ Quantenbits aus Silizium, die schon bei einer 15fach höherer Betriebstemperatur  zuverlässig funktionieren.

          Luca Petit and Gertjan Eenink arbeiten an der TU Delft an ihren  „heißen“ Quantenbits.
          Luca Petit and Gertjan Eenink arbeiten an der TU Delft an ihren „heißen“ Quantenbits. : Bild: TU Delft

          Zum Vergleich: Die Systeme „Q System“ von IBM und „Sycamore“ von Google benötigen für ihre supraleitenden Quantenbits eine Betriebstemperatur von 0,1 Kelvin (minus 273,05 Grad). Alle diese Quantencomputer müssen zwar immer noch mit flüssigem Helium gekühlt werden. Aber jede noch so geringe Erhöhung der Betriebstemperatur bedeutet einen Fortschritt, da sich der Kühlaufwand reduziert und die damit verbundenen Kosten verringern.

          Sowohl die Forscher um Menno Veldhorst von der Technischen Universität Delft, als auch die Wissenschaftler um Andrew Dzurak von der University of New South Wales in Sydney nutzen als Quantenbit  den Elektronenspin in winzigen Siliziumstrukturen, in sogenannten Quantenpunkten.  Beide Gruppen verwenden isotopenreines Silizium. Zusammen mit technischen Verbesserungen ist es Veldhorst und seinen Kollegen gelungen, die Betriebstemperatur ihrer Silizium-Quantenbits auf 1,1 Kelvin (minus 272,05 Grad) zu steigern. Eine noch höhere Temperatur von 1,5  Kelvin (minus 271,65 Grad) erzielen die Forscher um Dzurak, indem sie zusätzlich eine besonderen Technik verwenden, um die Quanteninformationen ihrer Qubits  zu lesen: Elektronen tunneln ohne jeglichen elektrischen Widerstand durch einen winzigen Kontakt zur Steuerelektrode. Die Quantenbits reagieren dadurch weniger empfindlich auf Rauschen und Temperaturschwankungen.

          Henry Yang (links) und Andrew Dzurak an ihrem Quantensystem. Der  experimentelle Aufbau befindet sich außerhalb des Kryostaten.
          Henry Yang (links) und Andrew Dzurak an ihrem Quantensystem. Der experimentelle Aufbau befindet sich außerhalb des Kryostaten. : Bild: UNSW Sydney

          Die Forscher aus Delft und Sydney  haben je zwei Quantenbits über Drähte mit einander verbunden und so  elementare Quantengatter verwirklichte. In jedem Quantenpunkt  war jeweils nur ein einzelnes Elektron gefangen. Mit elektrischen und magnetischen Feldern ließen sich die Quantenbits kontrollieren und manipulieren und so einfache logische Rechenoperationen ausführen..

          Die Quantensysteme aus Delft und Sydney können allerdings längst nicht mit der Leistungsfähigkeit von „IBM Q System“ und „Sycamore“ konkurrieren. Diese bestehen aus 20 beziehungsweise 54 Quantenbits. Entsprechend viele Quantengatter lassen sich damit realisieren.

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