Quantencomputer aus Silizium: Konkurrenz für IBM und Google?

Die quantenphysikalischen Informationseinheiten, die Quantenbits, die überwiegend durch supraleitende Mikrowellenresonatoren sowie gespeicherte geladene und neutrale Atome realisiert werden, sind nach wie vor recht fragil und störanfällig. Wärmestrahlung und unerwünschte elektrische Streufelder können die Zustände der Quantenbits zerstören, was unweigerlich zu Rechenfehlern führt. Zudem bereitet die Skalierbarkeit Schwierigkeiten: Die Leistungsfähigkeit der Quantenprozessoren lässt sich nicht ohne Weiteres steigern, indem man lediglich die Zahl der Quantenbits vergrößert. Je mehr Qubits vorliegen, umso schwieriger wird es, jedes einzelne vor störenden Einflüssen abzuschirmen und zu kontrollieren.

Viele Forschergruppen sehen deshalb in Quantencomputern aus Silizium schon länger eine Alternative, vor allem zu den supraleitenden Systemen, wie sie IBM und Google favorisieren. Dazu zählen auch die Entwickler von namhaften Chipherstellern. Denn in dem Halbleitermaterial lassen sich äußerst kompakte und stabile Quantenbits verwirklichen, die mit elektrischen Feldern manipuliert und programmiert werden können. Ein weiterer Pluspunkt: Quantenbits auf Siliziumbasis lassen sich mit den gängigen Halbleitertechniken herstellen, die man auch zur Fertigung klassischer Prozessoren nutzt, und sie können auf einem Siliziumchip untergebracht werden. Dadurch ist es möglich, Quantensysteme auf relativ einfache Weise zu skalieren.

Eine amerikanische Forschergruppe der HRL Laboratories im kalifornischen Malibu hat nun eine weitere Hürde nehmen können, die der Praxistauglichkeit von Halbleiter-Quantensystemen bislang im Weg stand. Sie hat einen Silizium-Quantenprozessor aus 18 Quantenbits entwickelt, der so zuverlässig rechnet, wie es die supraleitenden Quantenbits der Systeme von IBM oder Google bereits tun. Lag vor drei Jahren die typische Fehlerrate eines Zwei-Qubit-Systems aus Silizium noch bei etwa vier Prozent, so konnten die Forscher um Jacob Blumoff die Fehlerrate um mehr als einen Faktor zehn reduzieren.

Die amerikanischen Wissenschaftler nutzen als Quantenbits die Eigendrehimpulse (Spins) einzelner Elektronen, die in winzigen Siliziumstrukturen, sogenannten Quantenpunkten, wie in einer Art Käfig isoliert sind. Spins sind ideale Quantenbits: Sie können gleichzeitig nach unten und nach oben „zeigen“ oder als Überlagerung aus beiden Zuständen existieren. Ansteuern lassen sich die Spins allein mit elektrischen Pulsen.

Den Forschern um Blumoff ist es gelungen, eine Hauptquelle zu eliminieren, die für Störungen bei den Quantenrechnungen sorgt und größere Fehler verursacht: die Wärme, die normalerweise über Kupferkabel der externen Ansteuerelektronik auf einen tiefgekühlten Quantenchip übertragen wird. Dadurch werden trotz thermischer Abschirmung die Quantenbits erwärmt. Elektronenspins klappen plötzlich um, und Kohärenzzeiten, die entscheidend für das möglichst fehlerfreie Rechnen sind, verkürzen sich.

Mit einer neuen Rechnerarchitektur haben die Forscher um Blumoff das Problem nun in den Griff bekommen. Statt wie üblich die Ansteuerelektronik samt Verkabelung außerhalb des Kryostaten anzubringen, sitzen der Kontrollprozessor und der Quantenchip gemeinsam im Inneren des Kühlgeräts, das mit flüssigem Helium auf frostigen Temperaturen gehalten wird. Beide Bauteile – ihre Temperaturen unterscheiden sich um wenige Kelvin – sind über ein supraleitendes Flachbandkabel aus Niobium-Drähten miteinander verbunden. Das hat den Vorteil, dass alle Steuersignale störungsfrei auf die Quantenbits übertragen werden, aber keinerlei Wärme vom Kontrollprozessor zu den kälteren Quantenpunkten fließen kann.

Der Quantencomputer arbeitet weitgehend autonom. Nur eine Tastatur und ein Monitor sind erforderlich, um die Steuerelektronik anzusprechen, die ihrerseits den Quantenprozessor programmiert. Testläufe mit speziellen Quantenalgorithmen zeigten eine Fehlerrate von nur 0,2 Prozent, schreiben die Forscher um Blumoff in der Zeitschrift „Nature“. Lange als Plattform unterschätzt, kann der Quantenprozessor auf Siliziumbasis, was zumindest die Zuverlässigkeit der Berechnungen betrifft, mit den großen Quantensystemen von Google und Co. mithalten.