Bei heutigen Computertechnologien werden mehrere Milliarden Transistoren von wenigen Tausend elektrischen Pfaden kontrolliert. Im Bereich der Quantentechnologien ist das noch nicht möglich. Bisher mussten Quantenpunkte, die die Grundbausteine von Quantencomputern, sogenannte Qubits, enthalten, einzeln über ihre jeweils eigene Kontrollelektronik angesprochen werden. Doch nun ist Forschern des QuTech-Instituts, einer Kollaboration zwischen der Technischen Universität Delft und der Niederländischen Organisation für Angewandte Naturwissenschaftliche Forschung, ein Durchbruch gelungen.
Inspiriert vom Aufbau eines Schachbretts ordneten die Wissenschaftler 16 Quantenpunkte so im Quadrat an, dass jeder Punkt wie in einem Koordinatensystem mit der Kombination aus einem horizontalen und einem vertikalen Draht eindeutig identifiziert und kontrolliert werden kann. Dieser sogenannte 4×4-Array ist damit die derzeit größte kontrollierbare Anordnung von Quantenpunkten auf einem Chip. Im Bild ist eine Fotografie des Chips mit integriertem Schachbrettmotiv zu sehen.
„Diese neue Art, Quantenpunkte anzusprechen, ist vorteilhaft für die Erweiterung von Systemen auf viele Qubits“, erklärt Francesco Borsoi, Erstautor der in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlichten Ergebnisse. „Wird jeder einzelne Qubit von einem eigenen Kontrollpfad ausgelesen, wären für Millionen Qubits Millionen Drähte nötig. Mit unserem Schachbrett-ähnlichen System hingegen könnten Millionen Qubits von nur einigen Tausend Leitungen kontrolliert werden, also mit einem ähnlichen Verhältnis wie auf normalen Computerchips.“
Durch die Reduktion der Leitungsanzahl in Quantenpunktarrays kommen die Wissenschaftler der Herstellung von Quantensystemen mit skalierbarer Qubitanzahl deutlich näher. So ist die Entwicklung ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu Quantencomputern, die voraussichtlich Millionen von Qubits benötigen werden. Erst kürzlich konnten die QuTech-Forscher zeigen, dass die von Ihnen verwendeten Germanium-Quantenpunkte Resultate mit einer bei Quantenpunktsystemen zuvor unerreichten Genauigkeit liefern und als Array angeordnet erfolgreich für Quantensimulationen verwendet werden können.
Letztautor und Forschungsleiter Menno Veldhorst erläutert: „Es ist aufregend zu sehen, dass wir einige Schritte bei der Skalierung hin zu größeren Systemen geschafft, Leistungen verbessert und dabei neue Möglichkeiten für Quantencomputer und -simulatoren eröffnet haben. Es bleibt die Frage, wie groß wir diese Schachbrettschaltkreise machen können und ob wir, für den Fall, dass eine Grenze existiert, mehrere Schaltkreise verbinden können, um noch größere Schaltungen zu bauen.“
