Quantencomputing

Elektrisch schaltbares Qubit entwickelt

12. Januar 2021, 8:30 Uhr | Tobias Schlichtmeier

Mit dem Anlegen von Spannungen bilden sich im Nanodraht einzelne Spin-Qubits, die sich manipulieren lassen. Im einen Modus ist die Quanteninformation stabiler (blauer Spin), im anderen Modus ist das Qubit schneller veränderbar (roter Spin).

Zum Rechnen benötigen Quantencomputer Qubits. Sie dienen dem Verarbeiten und Speichern von Informationen. Physiker der Universität Basel und der TU Eindhoven haben nun ein neues Qubit realisiert.

Das Qubit, das Forschende der Universität Basel und der TU Eindhoven entwickelt haben, lässt sich von einem stabilen Ruhezustand in einen schnellen Rechenmodus umschalten. Weiterhin eignet sich das Konzept des neuen Qubits, um viele Qubits zu einem leistungsstarken Quantenrechner zu verbinden, so die Forschenden.

Im Vergleich zu konventionellen Bits sind Quantenbits (Qubits) viel anfälliger für Störungen und können ihren Informationsgehalt sehr schnell verlieren. Deshalb ist es schwer, die empfindlichen Qubits über längere Zeit stabil zu halten und gleichzeitig Wege zu finden, um schnelle Quantenoperationen durchzuführen. Physiker der Universität Basel und der TU Eindhoven haben deshalb ein umschaltbares Qubit entwickelt, das beides ermöglichen soll.

Das neue Qubit verfügt über einen stabilen, jedoch langsamen Zustand, der für das Speichern der Quanteninformation geeignet ist. Über die elektrische Spannung konnten die Forscher das Qubit jedoch in einen viel schnelleren, dafür weniger stabilen Manipulationsmodus schalten. In diesem Zustand lassen sich mit den Qubits Informationen zügig verarbeiten.

Gezielte Kopplung einzelner Spins

In ihrem Experiment haben die Wissenschaftler die Qubits in Form von sogenannten Lochspins realisiert. Hierbei handelt es sich um eine Leerstelle, die entsteht, wenn ein Elektron gezielt aus einem Halbleiter entfernt wird. Das entstehende Elektronenloch besitzt einen Spin, der zwei Zustände annehmen kann: hoch und runter – analog zu den Werten 0 und 1 bei klassischen Bits. Über die Abstimmung von Resonanzfrequenzen können diese Spins im neuen Qubit-Typ selektiv gekoppelt werden – zum Beispiel via eines Photons an andere Spins.

Eine solche Eigenschaft ist von großer Bedeutung für die Wissenschaft, denn der Bau von leistungsfähigen Quantencomputern setzt voraus, viele einzelne Qubits gezielt steuern und miteinander verschalten zu können. Die Fähigkeit zur Skalierung ist insbesondere nötig, um die Fehlerrate bei Quantenberechnungen zu verkleinern.

Schnelle Spin-Manipulation

Mit dem elektrischen Schalter konnten die Forscher die Spin-Qubits außerdem in Rekord-Geschwindigkeit manipulieren: »Der Spin lässt sich in lediglich einer Nanosekunde kohärent von oben nach unten drehen«, so Studienleiter Prof. Dr. Dominik Zumbühl vom Departement Physik der Universität Basel. »Das würde fast eine Milliarde Schaltungen in einer Sekunde erlauben. Damit nähert sich die Spin-Qubit-Technologie den Taktraten der heutigen konventionellen Computer«.

Die Forscher verwendeten für ihre Experimente einen Halbleiter-Nanodraht aus Silizium und Germanium, der an der TU Eindhoven hergestellt wurde und dessen Durchmesser lediglich etwa 20 Nanometer beträgt. Entsprechend klein ist die Größe des Qubits, womit im Prinzip Millionen oder sogar Milliarden von solchen Qubits auf einem Chip integrierbar wären.