Quantencomputer Das Silizium-Qubit kann das Quantencomputer-Rennen gewinnen!

Redakteur: Peter Königsreuther

Der Quantencomputer ist im Kommen! Die meisten arbeiten auf Basis von Supraleitern. Quantenbits (Qubits) auf Silizium fußend, haben allerdings einige Vorteile zu bieten...

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Sogenannten Quantenbits werden den Wettlauf zum Quantencomputer entscheiden, sagen Forscher der Universität Konstanz. Wo die Entwicklung steht, und wo es noch fehlt, erklärt hier Prof. Dr. Guido Burkard.
Sogenannten Quantenbits werden den Wettlauf zum Quantencomputer entscheiden, sagen Forscher der Universität Konstanz. Wo die Entwicklung steht, und wo es noch fehlt, erklärt hier Prof. Dr. Guido Burkard.
(Bild: AG Burkard)

Der Wettlauf zum Quantencomputer wird sich nach Ansicht von Experten an der Art und Praxistauglichkeit des Quantenbits (Qubit) entscheiden. Es ist die kleinste Informationseinheit mit der ein Quantencomputer arbeitet. Die größte Hürde sei es heute noch, mehrere Qubits zu einem beherrschbaren Rechensystem zu koppeln. Dabei sei noch ungewiss, welche Qubits dafür die besten seien. Am weitesten entwickelt sind Qubits auf Basis von Supraleitern, heißt es weiter. Doch langsam kristallisiere sich heraus, dass die Silizium-Halbleiter-Methode eine gute Alternative sein könnte, mit der sich entscheidende Vorteilen bei der Chipherstellung sichern ließen.

Schrödingers Katze steckt auch im Quantencomputer-„Sack“

Bits sind nichts Neues, denn das klassische Bit ist die kleinste Speichereinheit der bekannten Computertechnik. Auch gibt es ja schon länger sogenannte Parallelrechner, die aber schwer zu programmieren sind, damit alles optimal abläuft, wie die Experten anmerken. Wie die meisten noch wissen, kann ein Bit den Zustand 1 oder 0 annehmen: also entweder fließt dann Strom, oder eben nicht. Das Quantenbit kann aber Zwischenzustände annehmen, die sich „Superpositionen“ nennen. Erst im Moment der Messung wird dieser Zwischenzustand konkret (siehe Schrödingers Katze!). Bis zur Messung hat das Quantenbit quasi alle möglichen Zustände gleichzeitig (Zur Erinnerung: Schrödingers Katze ist bis zum Nachschauen auch tot UND lebendig). Daraus erklärt sich die immense Rechenleistung von Quantencomputern.

Drehimpuls und Quantenzustand bestimmen die Information

Allerdings kann man sich denken, dass die Speicherung von so vielen Quanteninformation ein Problem ist, denn es geht nicht länger nur um die Zustände 1 oder 0. „Um das zu meistern, können die Quantenzustände von Elektronen oder Photonen genutzt werden“, sagt Prof. Dr. Guido Burkard, Experte für Theoretische Festkörperphysik und Quanteninformationen an der Universität Konstanz. Denn mit diesen Superwinzlingen können Qubits „gebaut“ werden. Im Fall der Quantenbits auf Siliziumbasis dient der Eigendrehimpuls eines Elektrons – auch Elektronenspin genannt – als Informationsspeicher. Die Quanteninformation wird durch die Drehrichtung des Elektrons in Kombination mit seinem Quantenzustand codiert, sagt Burkard. Das sei aber eine höchst fragile Angelegenheit, denn schon Störungen auf atomarer Ebene können den Drehimpuls eines Elektrons beeinflussen und die Quanteninformation damit löschen.

Nur wenige zig Qubits kann man heute verschalten

Blick auf den Quantengatter aus zwei Silizium-Elektronen. Deren Drehimpulse kontrollieren zwei Nanoelektroden (VL und VR). Die dritte Nanoelektrode (VM) „macht den beiden anderen klar“, wie sie miteinander interagieren sollen.
Blick auf den Quantengatter aus zwei Silizium-Elektronen. Deren Drehimpulse kontrollieren zwei Nanoelektroden (VL und VR). Die dritte Nanoelektrode (VM) „macht den beiden anderen klar“, wie sie miteinander interagieren sollen.
(Bild: AG Burkard)

Doch der Probleme seien noch mehr, denn richtig zur Sache gehe es, wenn man Quantenbits vernünftig verschalten wolle. Damit plagt sich die momentane Quantencomputer-Entwicklung hauptsächlich herum, heißt es weiter. Warum ist das überhaupt nötig? Nun, weil man mit nur einem Qubit nicht rechnen kann. Das kann man erst, wenn man viele Quantenbits miteinander zu einem Rechensystem verschaltet, damit sie miteinander interagieren können, erklärt Burkard. Das heißt, sie müssen ihre Zustände gegenseitig auslesen und aufeinander übertragen können. Auch muss man zu koppelnde Qubits dabei nahe genug aneinander bringen, damit man rechnen kann.

Rechnen heißt dann aber auch, dass man im Falle des spinbasierten Qubits den Drehimpuls eines Elektrons exakt und störungsfrei auf ein anderes Elektron übertragen können muss – und zwar unter Umständen Millionenmal. Burkard merkt an: „Je mehr Qubits zu verschalten sind, umso störanfälliger wird das Rechensystem aufgrund von Wechselwirkungen zwischen den Qubits. Ein Problem, das nur schwer zu handhaben ist.“ Momentan ist man von einem Optimum noch weit entfernt, denn höchstens 50 Qubits können derzeit gekoppelt werden.

Supraleiter leisten viel, sind aber umständlich für die Praxis

Hinter den bis dato am besten entwickelten Quantencomputern stecken Supraleiter. Sie sind zwar sehr leistungsstark, funktionieren aber nicht bei Raumtemperatur, sondern erst bei rund -273 °C – also in der Nähe des absoluten Nullpunkts. Auch brauchen sie viel Energie und sie sind so „groß“, dass man nicht viele davon auf einem Chip platzieren kann, erklärt der Experte. „Wir glauben deshalb, dass die auf Silizium basierten Halbleiter-Qubits eine gute Alternative sind“, so Burkard. Mit einer Größe von nur wenigen Nanometern sind sie auch wesentlich kleiner als Supraleiter-Systeme. Potenziell passen davon Millionen auf einen Chip. „Die Industrie hat außerdem jahrzehntelange Erfahrung mit der Silizium-Halbleitertechnologie. Die hilft bei der Entwicklung und Herstellung von siliziumbasierten Qubits enorm“, sagt Burkard.

Forschungskooperation soll komplexe Silizium-Qubit-Schaltsysteme schaffen

Bereits vor rund vier Jahren gelang es der Arbeitsgruppe von Prof. Burkard mit der Princeton University und der University of Maryland, ein stabiles „Quantengatter“ für Silizium-Qubits zu schaffen. Das ist ein Schaltsystem, das 2-Qubit-Systeme nutzt und alle Grundoperationen des Quantenrechners durchführen kann. Es gilt als Meilenstein, auf dem die Physiker nun aufbauen. „Um eine möglichst große Zahl an Silizium-Qubits möglichst störungsfrei zusammenzuschalten, müssen wir das Ganze jetzt hochskalieren“, sagt Burkard. Damit man das schafft, kooperiert man nun im Rahmen von drei großen Forschungsverbünden auf Europaebene, von Deutschland und von Baden-Württemberg aus, mit führenden Forschungsgruppen im Bereich der Qubit-Entwicklung.

Und der Forschungsverbund QLSI („Quantum Large-Scale Integration with Silicon“) ist ein Projekt im Bereich der siliziumbasierten Quantencomputertechnologie, das als „Flagschiffs“ der Europäischen Union (EU) in Sachen Quantentechnologien bezeichnet wird. Es bringt die Expertise von 19 Forschungseinrichtungen in Europa zusammen. Die Koordination liegt beim Forschungsinstitut CEA-Leti in Grenoble (Frankreich). „Die Aufgabe von QLSI ist, vereinfacht gesagt, der Schritt vom einzelnen Silizium-Qubit zu komplexen Schaltsystemen“, so Burkard.

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