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Quantenbits werden wärmer

Qubits
Verschränkte Qubits (Bild: Luca Petit/ Qutech)

Den Quantencomputern gehört die Zukunft, heißt es. Doch bisher müssen die Quantenbits existierender System aufwändig bis auf extrem tiefe Temperaturen gekühlt werden. Jetzt ist zwei Forscherteams ein wichtiger Durchbruch gelungen: Sie haben in Silizium integrierte Qubits entwickelt, die „nur“ noch auf wenig mehr als ein Kelvin gekühlt werden müssen. Das eröffnet die Möglichkeit, solche Quantenrechner mit wesentlich günstigeren Kühlsystemen zu betreiben. Zudem könnten die Qubits dadurch in naher Zukunft zusammen mit den elektronischen Komponenten der Quantencomputer zu einem integrierten Schaltkreis kombiniert werden – eine wichtige Voraussetzung für leistungsfähigere Quantenrechner.

Quantencomputer könnten künftig Rechenoperationen durchführen, für die herkömmliche Rechner Jahrtausende bräuchten. Dank quantenphysikalischer Phänomene wie der Überlagerung und Verschränkung können die aus Atomen, Ionen oder anderen kleinsten Teilchen bestehenden Quantenbits selbst komplexe Aufgaben parallel abarbeiten. Das verringert die Rechenzeit vor allem für komplexe Aufgaben und könnte daher Quantencomputer vor allem für aufwändige Datenanalysen prädestinieren. Allerdings steht die Entwicklung solcher Rechner erst am Anfang, bisher existierende Quantencomputer bestehen nur aus wenigen Qubits und müssen mit großem Aufwand bis auf Temperaturen wenige Gradbruchteile über nahe dem absolute Nullpunkt heruntergekühlt werden. Denn die fragilen Quantenzustände dieser Teilchen brechen bei höheren Temperaturen zusammen. „Die in den Qubits gespeicherte Quanteninformation geht schnell verloren, wenn sie nicht fast auf Null Kelvin heruntergekühlt werden“, erklärt Menno Veldhorst von der Technischen Universität Delft.

Die Temperatur ist entscheidend

Diese extreme Kühlung jedoch bringt gleich mehrere Probleme mit sich: Zum einen sind die Kühlverfahren sehr teuer, weil beispielsweise das häufig als Kühlmittel eingesetzte flüssige Helium nicht kalt genug ist. Hinzu kommt, dass bisher jedes ultrakalte Qubit über eine eigene Leitung mit konventionellen Elektronikkomponenten verbunden ist, die bei Raumtemperatur laufen. Das macht es schwer, die Zahl der Qubits effektiv hochzuskalieren. Denn künftige Quantenrechner werden aus Millionen von Qubits bestehen müssen, um die entsprechenden Leistungen zu bringen. „Der gegenwärtige Stand der Quantentechnologie ist mit der der klassische Computer in den 1950er Jahren vergleichbar“, erklärt Veldhorst. „Zu dieser Zeit musste jede Komponenten einzeln zusammengelötet werden, was für größere Schaltkreise einfach nicht mehr machbar war.“

Ebenfalls problematisch beim Skalieren heutiger Quantentechnologien ist die Wärmeentwicklung: „Jedes Qubit-Paar, das man dem System hinzufügt, erhöht auch die erzeugte Wärme“, erklärt Andrew Dzurak von der University of New South Wales in Sydney. Eine mögliche Lösung für diese Probleme könnten integrierte Schaltkreise sein, bei denen Elektronik und Quantenbits quasi auf einem Chip arbeiten. Dafür aber müssen sich Elektronik und Qubits auch in ihren Temperaturanforderungen einander annähern.

Kleiner Schritt für Qubits, großer Sprung für Quantensysteme

Einen wichtigen Schritt in diese Richtung haben nun gleich zwei Forscherteams – eines um Veldhorst und das zweite um Dzurak – erreicht. Denn ihnen ist es gelungen, Qubits bei Temperaturen von 1,1 und 1,5 Kelvin zu stabilisieren. „Das ist noch immer sehr kalt, aber es ist eine Temperatur, die man durch eine wenige tausend Dollar teure Kühlung erzielen kann, statt der Millionen Doller, die es heute kostet, um die Chips auf 0,1 Kelvin herunterzukühlen“, erklärt Dzurak. „Aus unsere Alltagsperspektive ist dies schwer zu erfassen, aber in der Quantenwelt ist diese Temperaturerhöhung ein extremer Schritt.“ Der Wert von 1,5 Kelvin sei 15 Mal höher als die Temperaturen, bei denen aktuelle Quantencomputer beispielsweise von IBM oder Google laufen.

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In beiden Ansätzen bestehen die Qubits aus sogenannten Quantenpunkten in dotiertem Silizium. Dabei handelt es sich wenige Nanometer kleine Bereiche im Halbleiter, in die einzelne Elektronen oder auch Elektronenlücken so eingesperrt sind, dass sie nur ganz bestimmte, klar voneinander abgrenzbare Zustände einnehmen können. Diese Zustände – beispielsweise die Art des Elektronenspins – entsprechen den Nullen und Einsen der klassischen Bits in elektronischen Rechnern. In ihren Experimenten gelang es den Forschern, diese Silizium-Qubits so zu stabilisieren, dass sie logische Operationen wie CNOT-Gatter bei 1,1 Kelvin im Veldhorst-Team und 1,5 Kelvin im Dzurak-Team rechnen konnten. „Um Quantenrechnungen bei 1,1 Kelvin durchführen zu können, mussten wir alle Störquellen extrem reduzieren und Messmethoden entwickeln, die temperaturresistent sind“, berichtet Veldhorsts Kollege Luca Petit. „Aber als dann alles zusammenkam und wir zum ersten Mal Operationen mit zwei Quantenbits bei dieser Temperatur durchführen konnten, war das ein fantastischer Moment.“ Nach Ansicht der Forscher ebnen ihre Ergebnisse den Weg hin zu Quantencomputern mit größeren Qubit-Zahlen und zu integrierten Quanten-Schaltkreisen.

Quelle: C.H. Yang (University of New South Wales, Sydney) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-020-2171-6; Luca Petit (TU Delft) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-020-2170-7

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