Startseite > Halbleiter > Skalierbarer Quantencomputer mit Spin-Qubits

Equal1

Skalierbarer Quantencomputer mit Spin-Qubits

4. Juli 2024, 9:00 Uhr | Heinz Arnold

Die QPU von Equal1 enthält wenige Nanometer große Quantenpunkte, um die Qubits zu erzeugen. Die Fertigung geschieht in einem Standard-CMOS-Prozess. Integriert sind auch die gesamte Steuer- und Kontrolllogik.

Siliziumtechnologie, System-on-Chip-Integration und kompakte Quanten-Server zur Einbindung in HPC-Umgebungen – das sind laut Equal1 die Voraussetzungen für skalierbare Quantencomputer.

▶ Diesen Artikel anhören

Die wichtigsten Anforderungen an die halbleiterbasierten Qubits wiederum sind laut Jason Lynch, CEO von Equal1, Skalierbarkeit und fehlertoleranter Betrieb. Deshalb setzt das irische Start-up auf gekühlte Elektronenspin-QPUs.

Equal1 hat die hochintegrierte Quantum Processing Unit (QPU) »UnityQ« entwickelt. Hier kombiniert das Unternehmen das gesamte Quantencomputer-System einschließlich der Messeinheiten, der Steuerung, der Ausleseeinheiten und der Error Correction auf einem Chip, den Jason Lynch auch Quantum Silicon on Chip (QSoC) nennt. Laut Dr. Imran Bashir, Vice-President of Analog Engineering von Equal1, erlauben die QSoCs, Tausende von logischen Qubits zu realisieren und damit leistungsfähige verlässliche Quantencomputer zu bauen.

Imran Bashir sieht bereits eine erste Anwendung für Quantencomputer in der NISQ-Ära (Noisy Intermediate-Scale Quantum), die schon in Kürze nutzbringende Ergebnisse liefern werden: Simulationen molekularer Strukturen und ihre Interaktionen, wie er auf dem Quantum Computing and AI-Panel in Rahmen des »Create the Future Summit 2024« erklärte. Diese Simulationen würden den Weg zur schnellen Entwicklung neuer Materialien eröffnen, etwa für den Einsatz in Solarzellen, in der Stickstofffixierung und der CO2-Abscheidung.

Erst kürzlich hatte Equal1 ein Memorandum of Understanding mit dem Irish Centre for High-End Computing (ICHEC) unterzeichnet. Damit wollen die Partner Quantencomputer in das High Performance Computing einbinden, um komplexe Probleme in der Wissenschaft und der Industrie zu lösen sowie die führende Stellung des Quantencomputing in Irland und Europa zu stärken. In Irland sollen eine HPC-QP-Plattform und -Services aufgebaut werden, die nationalen Anwendern über die National Strategy for Quantum Technology, EU-Quantum-Initiativen wie Quantum Flagship und EuroHPC JU sowie globalen Aktivitäten wie IEEE Quantum zur Verfügung stehen.

Die QPUs von Equal1 basieren auf Elektronen-Spin-Qubits, die in nur wenigen Nanometer großen Quantenpunkten eingeschlossen sind. Um ein Quantengate aufzubauen, müssen die Qubits in den Quantenpunkten gekoppelt werden. Sie sind über Tunnelbarrieren getrennt, die über Imposers steuerbar sind. Das Interface zu der klassischen Elektronik stellen 1-Elektron-Transistoren her. Über diese Transistoren können ein Elektronen in das gekoppelte Quantenpunkt-Array injiziert werden. Die Spins werden manipuliert, um die Quantengates zu realisieren.

Die »UnityQ«-Chips von Equal1 fertigt Globalfoundries mit Hilfe ihres 22FDX-FDSOI-Prozesses. Zudem sind Controller sowie komplexe Mixed-Signal- und analoge Funktionen auf dem Chip integriert, wie Pulsgeneratoren, A/D-Wandler, D/A-Wandler und Speicher. Das gesamte »UnityQ«-QSoC wird auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt.

Jason Lynch, CEO von Equal1, hält diese Qubits für sehr aussichtsreich, nachdem Durchbrüche in der Kontrolle einzelner Elektronen erzielt wurden und sehr reines Silizium hergestellt werden kann. Als eine Voraussetzung für die Skalierbarkeit sieht er an, dass das Qubit-Array und die gesamte Elektronik, insbesondere auch die Error Correction, auf einem Chip integriert werden können. Denn dadurch wird es möglich, die Error Correction in Echtzeit durchzuführen, eine Voraussetzung, um Quantencomputer in der Praxis für relevante Anwendungen einsetzen zu können. Bei supraleitenden Qubits bestünde laut Lynch keine Chance, das Qubit-Array und die Elektronik integrieren zu können, damit könnten nicht ausreichend viele Qubits realisiert werden, um sinnvolle Berechnungen durchzuführen – diese Technik skaliere nicht.

Zwar müssen die »UnityQ«-QSoCs auf sehr niedrige Temperaturen gekühlt werden, um die erforderlichen Kohärenzzeiten zu erreichen. Doch weil dazu keine tiefen Temperaturen im Bereich von Millionstel K über dem absoluten Nullpunkt notwendig seien, wie etwa bei supraleitenden Qubits, ist Jason Lynch überzeugt, dass der Aufwand dafür in vertretbaren Grenzen gehalten werden kann.

Equal1 hat bereits QPUs mit sechs Qubits im Labor getestet. Lynch geht davon aus, dass 1.400 physikalische Spin-Qubits – sie entsprächen 1.000 logischen Qubits – erforderlich wären, um erste wirkliche Probleme in der realen Welt lösen zu können.

2025 soll das erste Produkt auf den Markt kommen. Es wird sich um ein 22U-Rack handeln, das die Unity-QuantumQ-Hardware, den Kompressor, den Kryokühler und die Vakuumpumpe enthält, um bis hinab zu 500 mK kühlen zu können. Die Leistungsaufnahme wird 2 kW betragen. Damit eignet sich der Quantencomputer von Equal1, um ihn in HPC-Umgebungen integrieren zu können. Das 22U-Rack soll bis 2030 auf 6U schrumpfen.