Quantencomputer: Ein reiner Siliziumchip ebnet neue Wege

Quantencomputer gelten als nächste große Entwicklung in der Informationstechnologie. Um in der Praxis einsetzbar zu sein, müssen sie allerdings im industriellen Maßstab produziert werden können und deutlich weniger fehleranfällig sein. Ein neu entwickelter Siliziumchip könnte auf dem Weg dazu ein wichtiger Schritt sein.

Quantencomputer: Qubits statt Bits

Quantencomputer sind in vielen Bereichen potenziell deutlich leistungsfähiger als herkömmliche Rechner, inklusive aktueller Supercomputer. Allerdings sind wir noch nicht so weit. Bisher verfügen Prototypen nur über wenige Recheneinheiten und sind zudem sehr fehleranfällig. Forscher:innen der University of Melbourne sowie der University of Manchester haben nun einen Siliziumchip hergestellt, der nahezu komplett aus einem einzigen Siliziumisotop besteht und damit der bisher reinste Chip seiner Art ist.

Quantencomputer basieren auf quantenphysikalischen Effekten und können bestimmte Berechnungen damit deutlich schneller durchführen als herkömmliche Computer. Statt Bits verwenden sie als Recheneinheiten sogenannte Qubits, die mehr Zustände als nur den Zustand Eins oder Null annehmen können wie es aktuell im binären System der Bits der Fall ist. Diese sogenannten überlagerten Zustände sind für die Quantenberechnungen essentiell, sie sind allerdings auch sehr anfällig für Fehler, die etwa durch Erschütterungen oder Temperaturschwankungen entstehen.

Qubits können außerdem miteinander verschränkt werden, was bedeutet, dass sie aneinander gekoppelt werden. Dabei hängt der Zustand eines Qubits dann vollständig des Qubits ab, mit dem es verschränkt ist. Die beiden Quanteneffekte der Verschränkung und Überlagerung sind die beiden Kernelemente, auf die Quantencomputer basieren.

Spinbasierte Quantencomputer: Silizium ist ein Problem

Es existieren mehrere Ansätze, mit denen Qubits realisiert werden können. Die beiden Tech-Riesen Google und IBM setzen auf supraleitende Schaltkreise, die als Qubits fungieren, während Firmen wie Quantinuum Ionenfallen einsetzt. Sogenannte spinbasierte Qubits wiederum nutzen gängige Halbleitertechnologie. „ Elektronische Chips, wie man sie heute in Rechnern verwendet, bestehen aus Milliarden von Transistoren – diese können auch zur Erzeugung von Qubits für Quantencomputer auf Siliziumbasis verwendet werden„, so Ravvi Acharya, Hauptautor der Studie.

Durch Kühlung der Transistoren auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt können einzelne Elektronen isoliert werden, wodurch der quantenphysikalische Spin zur Geltung kommt. Inzwischen lassen sich solche Qubits auf Siliziumchips realisieren. „das Problem ist, dass das natürlich vorkommende Silizium hauptsächlich aus dem Isotop Silizium-28 besteht, darin aber auch etwa 4,5 Prozent Silizium-29 enthalten sind„, so David Jamieson von der University of Melbourne , der an der Studie beteiligt war. Die Eigenschaften von Silizium-28 machen es zu einem eher ungeeigneten Material und eine der größten Fehlerquellen für Qubits.

Isotopenstrahl bereinigt Siliziumchip

Dem Forschungsteam gelang es, einen Siliziumchip herzustellen, der nur aus Silizium-28 besteht. Dabei kam ein Strahl aus Silizium-28-Isotopen zum Einsatz, mit dem die unerwünschten Isotopen aus einem herkömmlichen Siliziumchip herausgelöst werden konnten. Der Anteil von Silizium-29 sank damit auf 0,0002 Prozent. Dabei wurde Equipment verwendet, das es in jedem Halbleiterlabor gibt.

Spinbasierte Qubits können aktuell etwa 30 Sekunden lang in einem überlagerten Zustand bleiben, was etwa 1000 mal länger ist als bei Qubits, die aus supraleitenden Schaltkreisen bestehen. Im Gegenzug dazu ist es allerdings schwer, diese in größeren Zahlen herzustellen. Die bisher größten Spin-Quantencomputer bestehen etwa aus einem halben Dutzend Qubits. Die Herausforderungen liegen etwa in der Verkabelung, die drei Kabel pro Qubit erfordern, während die Abstände zwischen den einzelnen Qubits nicht zu groß werden dürfen. An diesem Problem wird auch der Chip aus reinem Silizium nichts ändern. Allerdings können langlebigere Qubits dazu führen, dass eine größere Zahl Rechenoperationen hintereinander ausgeführt werden können.

via EurekAlert!