Quantenlichtblick Experiment macht Hoffnung auf Millionen Qubits pro Chip

Forschern an der Uni Basel und am NCCR Spin ist es gelungen, eine kontrollierbare Wechselwirkung zwischen zwei Lochspin-Qubits in einem üblichen Siliziumtransistor zu erreichen. Das hat Auswirkungen ...

Der Wettlauf um die Entwicklung eines praxistauglichen Quantencomputers ist derzeit in vollem Gange. Weltweit arbeiten deshalb Experten an vielen verschiedenen Qubitmöglichkeiten. Noch ist aber ungeklärt, welche Art von Qubit am besten geeignet ist, um das Potenzial der Quanteninformatik voll auszuschöpfen. Qubits bilden bekanntlich die Grundlage eines Quantencomputers. Sie dienen dabei zur Verarbeitung, Übertragung und Speicherung von Daten. Damit sie richtig funktionierten, müssten sie Informationen sowohl zuverlässig speichern als auch mit hoher Geschwindigkeit verarbeiten können. Die Grundlage für letztere Aufgabe sind aber stabile und schnelle Wechselwirkungen zwischen einer hohen Anzahl an Qubits, deren Zustände sich von außen verlässlich steuern lassen müssen. Für einen praxistauglichen Quantencomputer müssten aber Millionen von Qubits auf einem einzigen Chip untergebracht werden. Die derzeit fortschrittlichsten Quantenrechner verfügen jedoch nur über einige hundert Qubits. Sie können deshalb nur Berechnungen durchführen, die auch – und oft effizienter – auf herkömmlichen Computern ablaufen können.

Die Sache mit den Elektronen und den Löchern ...

Um das Problem der Anordnung und Verbindung von Abertausenden von Qubits zu lösen, setzen die Forscher der Universität Basel und des NCCR Spin auf einen Typ von Qubit, der den Spin (also den Eigendrehimpuls) eines Elektrons oder den eines Lochs nutzen. Ein Loch ist quasi ein fehlendes Elektron in einem Festkörper. Beide besitzen einen Spin, der zwei Zustände annehmen kann: nach oben und nach unten – analog zu den Werten 0 und 1 bei klassischen Bits. Im Vergleich zu den Elektronenspins haben die Lochspins aber den Vorteil, dass sie vollständig elektrisch kontrolliert werden können, ohne dass zusätzliche Bauteile wie zum Beispiel Mikromagnete auf dem Chip benötigt werden, wie die Baseler erklären. Bereits 2022 konnten die beteiligten Physiker zeigen, dass sich die Lochspins in einem gängigen elektronischen Bauelement einfangen und als Qubits nutzen lassen. Diese sogenannten „FinFETs“ (Fin Field Effect Transistors) sind etwa schon in modernen Smartphones verbaut und werden mit industriellen Verfahren hergestellt, die weit verbreitet sind. Nun ist es aber erstmals gelungen, in diesem Setup eine kontrollierbare Wechselwirkung zwischen zwei Qubits zu erzeugen.

Die Vorteile von Lochspins beim Quantencomputing

Damit ein Quantencomputer rechnen kann, benötigt er auch noch sogenannte Quantengatter. Diese stehen für Operationen, die die Qubits manipulieren und miteinander koppeln. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift Nature Physics berichten, konnten sie zwei Qubits in einem Gatter verschränken und ein kontrolliertes Umklappen des einen Spins – abhängig vom Zustand des zweiten Spins – einen sogenannten Controlled Spin-Flip herbeiführen. Mit Lochspins können sie außerdem sogenannte 2-Qubit-Gatter herstellen, die sowohl schnell als auch sehr zuverlässig funktionieren, wie es weiter heißt. Nach diesem Prinzip könne nun auch eine größere Anzahl von Qubits paarweise gekoppelt werden, wie die Baseler betonen. Zur Erklärung: die Verschränkung zweier Spin-Qubits beruht auf ihrer Austauschwechselwirkung, die für zwei ununterscheidbare Teilchen auftritt, die miteinander elektrostatisch wechselwirken. Überraschenderweise sei die Austauschenergie für Löcher nicht nur elektrisch steuerbar, sondern auch stark anisotrop. Das ist eine Folge der Spin-Bahn-Kopplung, die bewirkt, dass der Spinzustand eines Lochs von seiner räumlichen Bewegung beeinflusst wird, wie man erfährt.

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