Quantencomputer gelten als die Rechner der Zukunft, denn sie können dank quantenphysikalischer Phänomene wie der Verschränkung und Überlagerung viele Aufgaben effektiver und schneller lösen als herkömmliche Computer. Erste Quantensysteme wie der Google-Quantencomputer „Sycamore“ und der chinesische “Jiuzhang”-Quantenrechner könnten dieses Supremat der Quanten bereits unter Beweis gestellt haben. Auch kommerziell genutzte Quantencomputer gibt es bereits, darunter ein System von IBM. Bisher jedoch ist die Größe und Leistung dieser Quantenrechner begrenzt, weil ihre aus virtuellen Teilchen in supraleitenden Spulen oder in Fallen gefangenen Ionen bestehenden Quantenbits schnell ihre Kohärenz verlieren. Ihre Quantenzustände bleiben meist nur rund 100 Mikrosekunden lang stabil und je mehr Quantenbits beteiligt sind, desto größer sind die Störeffekte. Zudem sind supraleitende Qubits relativ groß und lassen sich daher schlecht auf einem Chip platzieren – das setzt der Miniaturisierung dieser bisher sehr großen Rechner Grenzen.
Silizium und das Problem der Zuverlässigkeit
Abhilfe schaffen könnten Quantencomputer auf Siliziumbasis. Denn der Halbleiter ist nicht nur das gängige Material für die herkömmliche Computertechnik, er eignet sich auch gut, um kompakte, relativ stabile Qubits zu beherbergen. Diese bestehen meist aus Quantenpunkten – einzelnen Atomen oder Elektronen, deren Spin-Richtung als digitale Null oder Eins dienen kann. Erzeugen lassen sich solche Quantenpunkte durch die geschickte Kombination des Siliziums mit Fremdatomen wie Germanium oder Phosphor und den Einsatz magnetischer Felder. Die resultierenden Qubits sind viel kleiner als die bisher gängigen und bleiben bis zu 35 Sekunden stabil. “In der Quantenwelt sind 35 Sekunden eine halbe Ewigkeit”, sagt Andrea Morello von der University of New South Wales. Das Problem jedoch: Bisherige Quantensysteme auf Siliziumbasis waren nicht zuverlässig genug. Ihre Ergebnisse lag noch weit über der 99-prozentigen Fehlerfreiheit, die für solche Schaltkreise gefordert werden.
Doch das hat sich nun geändert: Gleich drei Forschungsteams ist es gelungen, siliziumbasierte Quantencomputer zu entwickeln, die die 99-Prozent-Grenze übertreffen. Ihre aus zwei Qubits bestehenden Schaltkreise in Form eines CNOT-Gatters erreichen im Schnitt 99,5 Prozent Zuverlässigkeit, ein einzelnes Qubit sogar bis zu 99,95 Prozent, wie sie berichten. Forscher um Akito Nori vom RIKEN-Forschungszentrum in Japan sowie ein Team um Xiao Yue von der Technischen Universität Delft nutzen die Elektronspins in einer Silizium-Germanium-Matrix als Quantenpunkte. Das dritte Forschungsteam unter Leitung von Morello erzeugte ihre Qubits mithilfe von Phosphor-Fremdatomen im Silizium. Alle drei Gruppen nutzten magnetische Felder, um das Verhalten der Spins und damit der Qubits zu kontrollieren.
