Verbinden entfernter Silizium-Qubits zum Hochskalieren von Quantencomputern

In einer Demonstration, die verspricht, Quantencomputer auf der Basis winziger Siliziumpunkte zu vergrößern, ist es den RIKEN-Physikern gelungen, zwei Qubits – die Grundeinheit für Quanteninformationen – zu verbinden, die physisch voneinander entfernt sind.

Viele große IT-Player – darunter IBM, Google und Microsoft – rennen um die Entwicklung von Quantencomputern, von denen einige bereits bewiesen haben, dass sie herkömmliche Computer bei bestimmten Arten von Berechnungen deutlich übertreffen können. Aber eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung kommerziell rentabler Quantencomputer ist die Fähigkeit, sie von etwa hundert Qubits auf Millionen von Qubits zu skalieren.

In Bezug auf Technologien sind Silizium-Quantenpunkte mit einem Durchmesser von einigen zehn Nanometern einer der Spitzenreiter bei der Erzielung von Quantencomputern im großen Maßstab. Ein entscheidender Vorteil besteht darin, dass sie unter Verwendung bestehender Siliziumherstellungstechnologien hergestellt werden können. Eine Hürde besteht jedoch darin, dass es zwar einfach ist, zwei nebeneinander liegende Quantenpunkte zu verbinden, es sich jedoch als schwierig erwiesen hat, Quantenpunkte zu verbinden, die weit voneinander entfernt sind.

„Um viele Qubits zu verbinden, müssen wir viele von ihnen dicht auf engstem Raum zusammenpressen“, sagt Akito Noiri vom RIKEN Center for Emergent Matter Science. „Und es ist sehr schwierig, Drähte zu verwenden, um so sehr dicht gepackte Qubits zu verbinden.“

Jetzt haben Noiri und Mitarbeiter ein Zwei-Qubit-Logikgatter zwischen physisch entfernten Silizium-Spin-Qubits realisiert.

„Obwohl auf diesem Gebiet mit verschiedenen Ansätzen viel gearbeitet wurde, ist es hier zum ersten Mal gelungen, ein zuverlässiges Logikgatter zu demonstrieren, das aus zwei entfernten Qubits besteht“, sagt Noiri. „Die Demonstration eröffnet die Möglichkeit, Quantencomputer auf der Grundlage von Silizium-Quantenpunkten zu skalieren.“

Um die beiden Qubits zu verbinden, verwendete das Team eine als kohärentes Spin-Shuttle bekannte Methode, die es ermöglicht, einzelne Spin-Qubits über eine Anordnung von Quantenpunkten zu bewegen, ohne ihre Phasenkohärenz zu beeinträchtigen – eine wichtige Eigenschaft für Quantencomputer, da sie Informationen tragen. Bei dieser Methode werden Elektronen durch Anlegen einer Spannung durch ein Array von Qubits geschoben.

Obwohl die physische Trennung zwischen den beiden Qubits relativ kurz war, ist Noiri zuversichtlich, dass sie in zukünftigen Studien erweitert werden kann. „Wir wollen den Abstand auf etwa einen Mikrometer erhöhen“, sagt er. „Das wird die Methode für den zukünftigen Einsatz praktikabler machen.“