99 Prozent Zuverlässigkeit: Silizium-Quantencomputer erreichen praktische Nutzbarkeit

Die Forschung verbindet mit der Entwicklung von Quantencomputern große Hoffnungen. Der Hintergrund: Die kleinsten Recheneinheiten – hier Qubits genannt – können nicht nur den Zustand 1 oder 0 annehmen. Stattdessen sind auch mehrere Zwischenzustände möglich. Dies wiederum ermöglicht es theoretisch, auch komplexe Rechenoperationen in kürzester Zeit durchzuführen. Bisher allerdings sind Quantencomputer nur in Einzelfällen in der Lage, tatsächlich schneller zu operieren als klassische Supercomputer. Verantwortlich dafür sind Schwierigkeiten mit den bereits erwähnten Qubits. Bei den bisher kommerziell genutzten Quantencomputern wird entweder auf supraleitende Quasiteilchen oder auf in Magnetfallen gefangene Ionen gesetzt. Dies bringt aber auch Nachteile mit sich. Denn dadurch sind die Qubits zum einen vergleichsweise groß. Zum anderen sind sie recht instabil. So bleiben sie in der Regel maximal 100 Mikrosekunden stabil – was zu einer vergleichsweise hohen Fehlerrate führt. Bisher ist es daher nicht gelungen, mehr als 127 Qubits dauerhaft zusammenarbeiten zu lassen.

Die Zuverlässigkeit muss bei über 99 Prozent liegen

Helfen könnte hier ein Rückgriff auf die Technologie von klassischen Computern. Denn theoretisch ist es auch möglich, Quantencomputer auf Siliziumbasis zu konstruieren. Hier könnten besonders stabile und kleine Qubits zum Einsatz kommen. Bei Versuchen im Labor konnte eine einzelne solche Recheneinheit bereits für rund 35 Sekunden stabil gehalten werden. Dies ist ein extrem guter Wert und könnte einen Durchbruch in Sachen Quantencomputer darstellen. Bisher allerdings steckte die Forschung hier dann auch schon in einer Sackgasse. Denn einzelne Qubits erreichten zwar eine Zuverlässigkeit von 99,9 Prozent. Doch sobald man mehrere davon miteinander kombinierte, sank die Fehlertoleranz auf unter 99 Prozent. Damit ist aber den gängigen Definitionen zufolge kein korrektes Rechnen mehr möglich. Die einzelnen Recheneinheiten boten also viel Potenzial, ließen sich aber nicht zu einem größeren Rechensystem zusammenfassen. Zumindest bis jetzt. Denn nun haben gleich drei Forschungsgruppen siliziumbasierte Quantenschaltkreise entwickelt, die die erforderliche Zuverlässigkeit mit sich bringen.

Unterschiedliche Ansätze führten zum Erfolg

Der grundsätzliche Ansatz war bei den einzelnen Teams recht ähnlich: So setzten sie alle auf magnetische Felder, um das Verhalten der Qubits zu steuern. Im Detail gab es allerdings Unterschiede. So setzte ein Team auf ein zusätzliches Elektron, das zwischen den Qubits operiert und so die beiden Phosphor-Qubits miteinander in Einklang bringt. Bei den anderen Gruppen kamen hingegen Elektronen in einer Matrix aus mit Germanium angereichertem Silizium zum Einsatz. Auf diese Weise konnte eine korrekte Zusammenarbeit von zwei Qubits ermöglicht werden. In allen drei Fällen mussten die Quantenrechner anschließend standardisierte Algorithmen berechnen, um so die Fehleranfälligkeit zu testen. Das Ergebnis: Mit Werten zwischen 99,35 und 99,65 Prozent wurden möglicherweise entscheidende Verbesserungen erreicht. Zwar werden auch dann noch einzelne Fehler auftreten. Die Zahl ist aber so gering, dass jeweils eine gezielte Korrektur vorgenommen werden kann. Damit sind siliziumbasierte Quantencomputer zumindest in der Theorie bereit für den praktischen Einsatz.

Via: Nature