Alltagstransistoren ebnen den Weg zur Massenproduktion von Quantencomputern
Auf der ganzen Welt findet ein Rennen statt, Quantencomputer zu erstellen, welche die Bedürfnisse der Wissenschaft und Industrie der Zukunft befriedigen. Hierfür muss die Quantentechnologie weiterentwickelt werden und über die kleineren Quantencomputer hinausgehen, die derzeit ausschließlich im kontrollierten wissenschaftlichen Umfeld hergestellt werden. Doch die Instabilität der Quantenbits, also der grundlegenden Informationseinheit in einem Quantencomputer, auch als Qubits bekannt, stellte bisher ein Hindernis für die Skalierbarkeit dar. Ein Forschungsteam der Universität Kopenhagen, Dänemark, und des französischen technologischen Forschungsinstituts CEA-Leti haben jetzt eine neue Methode vorgestellt, welche die industrielle Fertigung von Quantenprozessoren auf der Grundlage des Elektronenspins ermöglicht. Mit Unterstützung der EU-finanzierten Projekte QLSI (Quantum Large Scale Integration in Silicon), MOS-QUITO (MOS-based Quantum Information TechnOlogy) und Spin-NANO (Nanoscale solid-state spin systems in emerging quantum technologies) erkannten die Forschenden, dass übliche Transistoren, wie sie in unseren Mobiltelefonen eingebaut werden, als Qubits verwendet werden können. Die Erkenntnisse des Team wurden in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.
Die Bedeutung von 2D-Arrays
Ein wichtiger Aspekt dieser Forschung war die Entwicklung eines 2D-Arrays aus Quantenpunkten – Halbleiterkristallen in Nanogröße, die Elektronen transportieren können. Quantenpunkte stellen eine leistungsstarke Lösung zur Kontrolle des Spins eines einzelnen Elektrons dar. „Wir habe gezeigt, dass wir die Kontrolle einzelner Elektronen in jedem einzelnen dieser Quantenpunkte realisieren können“, erklärt der leitende Autor Fabio Ansaloni von der Universität Kopenhagen in einer Pressemitteilung auf der Webseite „Phys.org“. „Das ist sehr bedeutend für die Entwicklung eines Qubits, denn eine der Herstellungsmöglichkeiten eines Qubits ist die Nutzung des Spins eines einzelnen Elektrons. Dieses Ziel, ein einzelnes Elektron in einem 2D-Array aus Quantenpunkten zu kontrollieren, war also sehr wichtig für uns.“ Mit 2D-Arrays kann ein enormer Fortschritt bei der Fehlerkorrektur in der Quanteninformatik erreicht werden.
Skalierbare Quantencomputer
Die Forschenden verwenden Herstellungsverfahren für Siliziumtransistoren, um die durch Quantenpunkte ermöglichten Silizium-Spin-Qubits herzustellen. In Ihrer Ausarbeitung „zeigen sie eine Tätigkeit einzelner Elektronen in allen vier Quantenpunkten eines 2x2-Split-Gate-Siliziumgeräts, das komplett durch Gussverfahren mit 300-mm-Wafern gefertigt wurde.“ Die Forschenden merken in der Pressemitteilung auf „Phys.org“ an, dass „erstens die Fertigung der Geräte in einer industriellen Gießerei notwendig ist. Die Skalierbarkeit eines modernen Industrieverfahrens ist essenziell bei der Herstellung größerer Arrays, zum Beispiel für kleine Quantensimulatoren. Zweitens braucht man bei der Herstellung eines Quantencomputers ein Array in zwei Dimensionen und man muss jeden Qubit mit der Außenwelt verbinden können. Wenn von jedem Qubit 4-5 Verbindungen ausgehen, hat man schnell eine unrealistische Anzahl von Kabeln, die aus dem Aufbau bei Niedrigtemperaturen hervorgehen. Doch wir konnten zeigen, dass man ein Gate pro Elektron haben und über das gleiche Gate lesen und kontrollieren kann. Zuletzt konnten wir mit diesen Instrumenten einzelne Elektronen auf kontrollierte Weise in dem Array bewegen und austauschen, was an sich eine Herausforderung darstellt.“ Die zweite leitende Autorin Anasua Chatterjee von der Universität Kopenhagen lobte die „großzügige Finanzierung“ der EU über die Projekte QLSI, MOS-Quito und Spin-Nano. „Zweidimensionale Arrays sind ein großes Ziel, denn es sieht so aus, als würde man diese beim Bau eines Quantencomputers dringend benötigen“, so Chatterjee abschließend. Weitere Informationen: QLSI-Projekt Projektwebsite MOS-QUITO Projektwebsite Spin-NANO
Schlüsselbegriffe
QLSI, MOS-QUITO, Spin-NANO, Quantencomputer, Quantenpunkt, Qubit, Elektron, Transistor
