Ein Quantensprung für Siliziumchips: Die Spin-Photonen-Kopplung ist jetzt Realität

Die Quantentheorie nahm ihren Anfang vor mehr als einhundert Jahren und steht seitdem im Mittelpunkt zahlreicher Untersuchungen und Beobachtungen. Doch erst in den letzten Jahren haben Wissenschaftler die Nutzung der Quantenmechanik im Bereich der Technologie und insbesondere im Bereich der Informatik in Erwägung gezogen. Die TU Delft, die gastgebende Universität des Projekts QC-LAB, hat sich dem Wettrennen um den Bau effizienter Quantencomputer angeschlossen und dabei bedeutende Ergebnisse erzielt.

Die Quantenphänomene, welche die Grundlage dafür bilden, dass wir von einer Revolutionierung der uns bekannten Computerwelt sprechen können, heißen Superposition und Verschränkung. Bei einem klassischen Computer kann ein Bit einen von zwei Werten haben: eine Eins oder eine Null. Bei einem Quantencomputer kann die Basisinformationseinheit, die als Quantenbit oder Qubit bezeichnet wird, eine Eins, eine Null oder eine Eins und eine Null gleichzeitig sein. Dieser Zustand der Überlagerung mehrerer möglicher Zustände wird als Superposition bezeichnet.

Wenn Qubits in einen Computer integriert werden, wächst dessen Leistungsfähigkeit exponentiell an. Um von diesem Leistungsanstieg profitieren zu können, müssen die Qubits jedoch miteinander verbunden werden, auch wenn sie weit voneinander entfernt sind. Dieses Phänomen wird als Quantenverschränkung bezeichnet.

Der Computer der Zukunft

Durch die Nutzung von Phänomenen wie Superposition und Verschränkung können die Quantencomputer von morgen Probleme lösen, für die aktuelle Großrechner zahllose Jahre benötigen würden. Dies betrifft bspw. die Faktorisierung großer Primzahlen oder die Durchforstung umfangreicher, nicht sortierter Datensätze.

Wenn ein Quantencomputer jedoch solche hilfreichen Berechnungen durchführen soll, sind zahlreiche Qubits erforderlich. Und genau dieser große Qubit-Bedarf stellt eine Herausforderung dar. Diese fragilen Quanteninformationseinheiten müssen eine gute Kommunikationsfähigkeit aufweisen, wenn die Computer ein Erfolg sein sollen.

Das Potenzial von Silizium

Quantenchips speichern Informationen in Qubits und bestehen aus Silizium. Das in zahlreichen elektronischen Geräten verwendete Silizium ermöglicht eine langfristige Speicherung von Informationen und ist daher potenziell als Material für die Quantentechnologie geeignet. Wissenschaftler müssen allerdings noch herausfinden, wie die Anzahl der Spin-Qubit-Systeme erhöht werden kann. Gemäß ihrem in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlichten Paper haben die Projektforscher einen Schritt in Richtung Problemlösung getan, indem sie zeigten, dass ein einzelner Elektronenspin und ein einzelnes Mikrowellen-Photon auf einem Siliziumchip gekoppelt werden können. Laut den Autoren ist „[d]er Elektronenspin in einem Silizium-Doppelquantenpunkt eingeschlossen und das Mikrowellen-Photon in einem supraleitenden On-Chip-Resonator mit hoher Impedanz gespeichert.“ Die Autoren erklären weiter: „Durch einen starken lokalen Magnetfeldgradienten, der von einem Mikromagneten in der Nähe erzeugt wird, bindet sich die elektrische Feldkomponente des Kavitätsphotons direkt an den Ladungs-Dipol des Elektrons im Doppelpunkt und indirekt an den Elektronenspin.“ Die Forscher teilten mit, dass ihre Ergebnisse eine Möglichkeit zur Realisierung großer Netze von quantenpunktbasierten Spin-Qubit-Registern ermöglichen.

Dieser Quantenchip mit zuverlässigen Silizium-Qubits ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu skalierbaren Quantenberechnungen. Das Ziel des QC-LAB-Teams ist die Entwicklung eines 13-Qubit-Schaltkreises, der Quantenzustände zwischen Qubits hin- und herüberträgt.

Weitere Informationen:
QC-LAB