Quanten-Shuttle zum Quantenprozessor »Made in Germany« gestartet

Quantencomputer haben das Potenzial, konventionelle Superrechner bei bestimmten Problemen weit zu übertreffen. Beispielsweise wenn es darum geht, Verkehrsströme in Metropolen zu steuern oder Materialien auf atomarer Ebene zu simulieren. Doch noch ist offen, welcher Ansatz den Wettlauf zum Quantenrechner für sich entscheiden wird. Versuche mit supraleitenden Qubits – so heißen die kleinsten Einheiten eines Quantencomputers – sind momentan am weitesten entwickelt. Doch wenn es um große Qubit-Zahlen geht, haben möglicherweise Halbleiter-Qubits die Nase vorn.

Ein vielversprechendes System für Halbleiter-Qubits sind Elektronenspin-Qubits in Silizium, weil sie vergleichsweise stabile Quanteneigenschaften aufweisen und im Aufbau viel kleiner sind als supraleitende Quantenbits. »Es sind noch grundlegende Fragen zu klären. Quantenchips ließen sich bislang nicht so einfach hoch skalieren wie klassische Computerchips. Ein Problem dabei waren geometrische Beschränkungen. Die Qubits müssen normalerweise sehr nahe beieinander liegen, um sie miteinander zu koppeln. Bisher wurden Halbleiter-Qubits daher vorrangig in Bauteilen demonstriert, die nicht mehr als zwei dicht nebeneinanderliegende gekoppelte Qubits aufweisen. Für eine skalierbare Architektur benötigen wir dagegen mehr Platz auf dem Quantenchip, etwa für Zuleitungen und Kontrollelektronik«, erklärt Projektleiter Prof. Hendrik Bluhm, Direktor am JARA-Institut für Quanteninformation des Forschungszentrums Jülich.

Um die Abstände zu vergrößern, haben die Forscher der JARA-Kooperation des Forschungszentrums Jülich und der RWTH Aachen gemeinsam mit weiteren Forschungspartnern einen sogenannten Quantenbus entwickelt. Dabei handelt es sich um spezielle Verbindungselemente, die es möglich machen, Distanzen von bis zu 10 Mikrometern zwischen den einzelnen Qubits effizient zu überbrücken. Die Quanteninformation wird bei Silizium-Qubits durch den Spin von Elektronen kodiert, die in sogenannten Quantenpunkten – spezielle Halbleiterstrukturen im Nanobereich – sitzen. Der Quantenbus ermöglicht es, die Elektronen auf den Quantenpunkten einzufangen und kontrolliert zu transportieren, ohne dass die Quanteninformation verloren geht.