Im Wettlauf um den Bau von Hardware für Quantencomputer beginnt Silizium zu glänzen

Die von Physikern der Princeton University durchgeführte Forschung ebnet den Weg für den Einsatz von siliziumbasierten Technologien im Quantencomputing, insbesondere als Quantenbits – die Grundeinheiten von Quantencomputern. Diese Forschung verspricht, den Einsatz der Siliziumtechnologie als praktikable Alternative zu anderen Quantencomputertechnologien wie Supraleitern oder eingefangenen Ionen zu beschleunigen.

In einer in der Zeitschrift veröffentlichten Forschung Wissenschaftliche Fortschritte, verwendeten Physiker von Princeton ein Zwei-Qubit-Silizium-Quantengerät, um eine beispiellose Genauigkeit zu erreichen. Mit über 99 Prozent ist dies die bisher höchste Wiedergabetreue für ein Zwei-Qubit-Gate in einem Halbleiter und liegt auf Augenhöhe mit den besten Ergebnissen konkurrierender Technologien. Treue, die ein Maß für die Fähigkeit eines Qubits ist, fehlerfreie Operationen durchzuführen, ist ein Schlüsselmerkmal bei der Suche nach der Entwicklung praktischer und effizienter Quantencomputer.

Forscher auf der ganzen Welt versuchen herauszufinden, welche Technologien – wie zum Beispiel supraleitende Qubits, gefangene Ionen oder Silizium-Spin-Qubits – am besten als Grundeinheiten des Quantencomputings eingesetzt werden können. Und ebenso wichtig ist, dass Forscher untersuchen, welche Technologien am effizientesten für die kommerzielle Nutzung skaliert werden können.

„Silizium-Spin-Qubits gewinnen an Dynamik [in the field]“, sagte Adam Mills, Doktorand am Institut für Physik der Princeton University und Hauptautor der kürzlich veröffentlichten Studie. „Es sieht insgesamt nach einem großen Jahr für Silizium aus.“

Durch die Verwendung eines Siliziumgeräts namens Doppelquantenpunkt konnten die Princeton-Forscher zwei Elektronen einfangen und sie zur Wechselwirkung zwingen. Der Spinzustand jedes Elektrons kann als Qubit verwendet werden, und die Wechselwirkung zwischen den Elektronen kann diese Qubits verschränken. Diese Operation ist für die Quantenberechnung von entscheidender Bedeutung, und das Forschungsteam unter der Leitung von Jason Petta, dem Eugene Higgins-Professor für Physik in Princeton, konnte diese Verschränkungsoperation mit einer Genauigkeit von über 99,8 Prozent durchführen.

Ein Qubit ist im einfachsten Sinne eine Quantenversion eines Computerbits, der kleinsten Dateneinheit in einem Computer. Wie sein klassisches Gegenstück ist das Qubit mit Informationen codiert, die entweder den Wert eins oder null haben können. Aber im Gegensatz zum Bit ist das Qubit in der Lage, die Konzepte der Quantenmechanik auszunutzen, sodass es Aufgaben ausführen kann, die klassische Bits nicht können.

„In einem Qubit können Sie Nullen und Einsen codieren, aber Sie können auch Überlagerungen dieser Nullen und Einsen haben“, sagte Mills. Das bedeutet, dass jedes Qubit gleichzeitig eine Null und eine Eins sein kann. Dieses als Superposition bezeichnete Konzept ist eine grundlegende Qualität der Quantenmechanik und eine, die es Qubits ermöglicht, Operationen durchzuführen, die erstaunlich und jenseitig erscheinen. In der Praxis ermöglicht es dem Quantencomputer einen größeren Vorteil gegenüber herkömmlichen Computern, beispielsweise bei der Faktorisierung sehr großer Zahlen oder der Isolierung der optimalsten Lösung eines Problems.

Der „Spin“ in Spin-Qubits ist der Drehimpuls des Elektrons. Es ist eine Quanteneigenschaft, die sich als winziger magnetischer Dipol manifestiert, der zur Codierung von Informationen verwendet werden kann. Ein klassisches Analogon ist eine Kompassnadel, die einen Nord- und einen Südpol hat und sich dreht, um sich mit dem Magnetfeld der Erde auszurichten. Quantenmechanisch kann sich der Spin des Elektrons mit dem im Labor erzeugten Magnetfeld ausrichten (Spin-up), oder antiparallel zum Feld orientiert sein (Spin-down) oder sich in einer Quantenüberlagerung von Spin-up und befinden Spin-down. Spin ist die Eigenschaft des Elektrons, das in Silizium-basierten Quantengeräten genutzt wird; Herkömmliche Computer arbeiten dagegen, indem sie die negative Ladung eines Elektrons manipulieren.

Mills behauptete, dass Silizium-Spin-Qubits im Allgemeinen Vorteile gegenüber anderen Qubit-Typen haben. „Die Idee ist, dass jedes System auf viele Qubits skaliert werden muss“, sagte er. „Und im Moment haben die anderen Qubit-Systeme echte physische Einschränkungen hinsichtlich der Skalierbarkeit. Die Größe könnte bei diesen Systemen ein echtes Problem darstellen. Es gibt nur so viel Platz, in den man diese Dinge stopfen kann.“

Im Vergleich dazu bestehen Silizium-Spin-Qubits aus einzelnen Elektronen und sind extrem klein.

„Unsere Geräte haben einen Durchmesser von nur etwa 100 Nanometern, während ein herkömmliches supraleitendes Qubit eher einen Durchmesser von 300 Mikrometern hat. Wenn Sie also viele auf einem Chip herstellen möchten, wird es schwierig, einen supraleitenden Ansatz zu verwenden“, sagte Petta.

Der andere Vorteil von Silizium-Spin-Qubits, fügte Petta hinzu, sei, dass die herkömmliche Elektronik heute auf Siliziumtechnologie basiere. „Unser Gefühl ist, dass, wenn Sie wirklich eine Million oder zehn Millionen Qubits herstellen wollen, die erforderlich sind, um etwas Praktisches zu tun, dies nur in einem Festkörpersystem geschehen wird, das mit der Standard-Halbleiterherstellungsindustrie skaliert werden kann. „

Dennoch war es für Forscher eine Herausforderung, Spin-Qubits – wie andere Arten von Qubits – mit hoher Genauigkeit zu betreiben.

„Einer der Engpässe für die Technologie der Spin-Qubits ist, dass die Zwei-Qubit-Gate-Genauigkeit bis vor kurzem nicht so hoch war“, sagte Petta. „In den meisten Experimenten lag sie weit unter 90 Prozent.“

Aber es war eine Herausforderung, von der Petta und Mills und das Forschungsteam glaubten, dass sie erreicht werden könnte.

Um das Experiment durchzuführen, mussten die Forscher zunächst ein einzelnes Elektron einfangen – keine leichte Aufgabe.

„Wir fangen ein einzelnes Elektron ein, ein sehr kleines Teilchen, und wir müssen es in eine bestimmte Region des Weltraums bringen und es dann zum Tanzen bringen“, sagte Petta.

Dazu mussten Mills, Petta und ihre Kollegen einen „Käfig“ bauen. Dabei handelte es sich um einen hauchdünnen Halbleiter, der hauptsächlich aus Silizium besteht. An der Spitze hat das Team kleine Elektroden gemustert, die das elektrostatische Potential erzeugen, das zum Einschließen des Elektrons verwendet wird. Zwei dieser Käfige zusammengenommen, getrennt durch eine Barriere oder ein Tor, bildeten den doppelten Quantenpunkt.

„Wir haben zwei Spins, die an benachbarten Standorten nebeneinander sitzen“, sagte Petta. „Indem wir die Spannung an diesen Gates anpassen, können wir die Elektronen kurzzeitig zusammenschieben und bewirken, dass sie interagieren. Dies wird als Zwei-Qubit-Gate bezeichnet.“

Die Wechselwirkung bewirkt, dass sich jedes Spin-Qubit gemäß dem Zustand seiner benachbarten Spin-Qubits entwickelt, was zu einer Verschränkung in Quantensystemen führt. Die Forscher konnten diese Zwei-Qubit-Interaktion mit einer Wiedergabetreue von über 99 Prozent durchführen. Dies ist bis heute die höchste Genauigkeit für ein Zwei-Qubit-Gatter, die bisher in Spin-Qubits erreicht wurde.

Petta sagte, dass die Ergebnisse dieses Experiments diese Technologie – Silizium-Spin-Qubits – auf eine Stufe mit den besten Ergebnissen stellen, die von den anderen großen konkurrierenden Technologien erzielt werden. „Diese Technologie befindet sich auf einem stark steigenden Kurs“, sagte er, „und ich denke, es ist nur eine Frage der Zeit, bis sie die supraleitenden Systeme überholt.“

„Ein weiterer wichtiger Aspekt dieses Papiers“, fügte Petta hinzu, „ist, dass es nicht nur eine Demonstration eines High-Fidelity-Zwei-Qubit-Gatters ist, sondern dass dieses Gerät alles kann. Dies ist die erste Demonstration eines Halbleiter-Spin-Qubit-Systems, das wir haben integrierte Leistung des gesamten Systems – die Zustandsvorbereitung, das Auslesen, die Einzel-Qubit-Steuerung, die Zwei-Qubit-Steuerung – alles mit Leistungsmetriken, die den Schwellenwert überschreiten, den Sie benötigen, um ein größeres System zum Laufen zu bringen.“

Neben Mills und Petta umfasste die Arbeit auch die Bemühungen der Princeton-Doktoranden Charles Guinn und Mayer Feldman sowie des Assistenzprofessors für Elektrotechnik der University of Pennsylvania, Anthony Sigillito. An der Veröffentlichung und Forschung beteiligten sich auch Michael Gullans vom Physikalischen Institut der Princeton University und dem Center for Quantum Information and Computer Science am NIST/University of Maryland sowie Erik Nielsen von den Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico.