Australische Forscher haben einen neuen Typ von Qubit – den Baustein von Quantencomputern – entworfen, der es endlich ermöglichen soll, einen echten Quantencomputer im großen Maßstab herzustellen.
Im Großen und Ganzen gibt es derzeit eine Reihe von Möglichkeiten, einen Quantencomputer herzustellen. Einige nehmen weniger Platz in Anspruch, sind aber sehr komplex. Andere sind einfacher, aber wenn Ihr ihn vergrößern wollt, müsst Ihr ein paar Wände niederreißen.
Eine Möglichkeit, ein Qubit einzufangen, ist die Verwendung von Standard-Atomtaming-Technologie, wie z. B. Ionenfallen und optische Pinzetten, die Partikel lange genug festhalten können, um ihre Quantenzustände zu analysieren.
Andere nutzen Schaltkreise aus supraleitenden Materialien, um Quantenüberlagerungen im elektrischen Strom zu detektieren.
Der Vorteil solcher Systeme liegt darin, dass sie auf bestehenden Techniken und Geräten basieren und somit relativ kostengünstig und einfach zusammenzustellen sind.
Der Kostentreiber ist der Raum – die Technologie kann für eine relativ kleine Anzahl von Qubits ausreichen, aber wenn man sich Hunderte oder Tausende von ihnen anschaut, die in einen Computer eingebunden sind, wird die Skala schnell unausführbar.
Dank der Codierung von Informationen sowohl im Atomkern als auch im Elektron eines Atoms kann das neue Silizium-Qubit, das als‘ Flip-Flop-Qubit‘ bezeichnet wird, durch elektrische statt durch magnetische Signale gesteuert werden. Das bedeutet, dass es die Quantenverschränkung über eine größere Entfernung als je zuvor aufrecht erhalten kann, wodurch es billiger und einfacher ist, es in einen skalierbaren Computer zu bauen.
„Wenn sie zu nah oder zu weit auseinander liegen, kommt die Verschränkung „zwischen Quantenbits – das ist es, was Quantencomputer so besonders macht – nicht vor„, sagt der Forscher, der das neue Qubit Guilherme Tosi von der University of New South Wales in Australien erfunden hat.
Das Flip-Flop-Qubit sitzt im Sweetspot zwischen diesen beiden Extremen und bietet eine echte Quantenverschränkung über eine Distanz von Hunderten von Nanometern.
Mit anderen Worten, das könnte genau das sein, worauf wir gewartet haben, um siliziumbasierte Quantencomputer skalierbar zu machen.
Um es klar zu sagen, bisher besteht nur ein Entwurf des Gerätes – es wurde noch nicht gebaut. Doch laut Teamleiter Andrea Morello ist die Entwicklung für das Feld genauso wichtig wie das bahnbrechende 1998er Papier in Nature von Bruce Kane, das die Quantencomputerbewegung des Siliziums auslöste.
„Wie Kanes Zeitung ist das eine Theorie, ein Vorschlag – der Qubit muss noch gebaut werden„, sagt Morello. „Wir haben einige vorläufige experimentelle Daten, die darauf hindeuten, dass es durchaus machbar ist, also arbeiten wir daran, dies vollständig zu demonstrieren. Aber ich denke, das ist so visionär wie Kanes Originalpapier.“
Das Flip-Flop-Qubit arbeitet, indem es Informationen über das Elektron UND den Kern eines Phosphoratatatoms kodiert, das in einem Siliziumchip implantiert und mit einem Elektrodenmuster verbunden ist. Das Ganze wird dann auf nahezu absolute Null abgekühlt und in ein Magnetfeld getaucht.
Der Wert des Qubits wird dann durch Kombinationen einer binären Eigenschaft namens Spin bestimmt – wenn der Spin für ein Elektron‘ up‘ ist, während‘ down‘ für den Kern, stellt das Qubit einen Gesamtwert von 1 dar. Umgekehrt ist es eine 0.
Damit bleibt die Überlagerung der Spin-Zustände für die Quantenoperationen.
Im Flip-Flop können die Forscher den Qubit mit einem elektrischen Feld anstelle von magnetischen Signalen steuern – das hat zwei Vorteile. Es ist einfacher mit normalen elektronischen Schaltkreisen zu integrieren und, was am wichtigsten ist, es bedeutet auch, dass Qubits über größere Entfernungen kommunizieren können.
„Um dieses Qubit zu betreiben, müssen Sie das Elektron ein wenig vom Kern wegziehen, indem Sie die Elektroden an der Spitze verwenden. Damit schaffen Sie auch einen elektrischen Dipol„, sagt Tosi.
„Das ist der entscheidende Punkt„, fügt Morello hinzu. „Diese elektrischen Dipole interagieren über relativ große Entfernungen, einen guten Bruchteil eines Mikrometers oder 1.000 Nanometer.“
„Damit können wir die Einzelatom-Qubits viel weiter auseinander setzen, als es bisher möglich war. Es gibt also viel Platz, um die klassischen Schlüsselkomponenten wie Interconnects, Steuerelektroden und Auslesegeräte unter Beibehaltung der genauen atomartigen Natur des Quantenbit einzubringen.
„Es ist einfacher zu fertigen als atomare Geräte, aber es erlaubt uns trotzdem eine Million Qubits auf einen Quadratmillimeter zu setzen.“
Was dieses neue Flip-Flop-Qubit bedeutet, ist eine Balance, die zukünftige Quantencomputer klein und potentiell bezahlbar machen könnte.
„Es ist ein brillantes Design, und wie viele solcher konzeptionellen Sprünge ist es erstaunlich, dass niemand zuvor daran gedacht hat„, sagt Morello.
Quelle: Sciencealert
