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Computerforschung: Quantencomputer aus Silizium werden realistisch

2017 haben es Forscher geschafft, alle nötigen Komponenten für Quantencomputer mit herkömmlicher Halbleitertechnik zu bauen. Mit magnetischen und elektrischen Feldern gelang es, Elektronen als Qubit zu verwenden und sie gezielt zu manipulieren.

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Eine Konstruktion aus elektrischen Leitern und einem Magneten kann alle Funktionen eines Quantencomputers erfüllen.
Eine Konstruktion aus elektrischen Leitern und einem Magneten kann alle Funktionen eines Quantencomputers erfüllen. (Bild: Nature)

Funktionierende Quantencomputer brauchen Qubits. Der Zustand der einzelnen Qubits muss gemessen und manipuliert werden können. Ein Qubit allein, etwa ein einziges bestimmtes Elektron in der Elektronenschale eines Atoms, ist kein Computer. Aber auch wenn viele Qubits erzeugt, gemessen und manipuliert werden, sind sie noch kein Computer. Ein Quantencomputer benötigt wenigstens ein weiteres Bauteil: ein universelles Quantengatter, das den Zustand eines Qubits in Abhängigkeit von einem anderen Qubit manipulieren kann. Forschern aus den USA, Deutschland und Japan ist es in Kooperation erstmals gelungen, alle nötigen Bauteile eines Quantencomputers mit bekannten Verfahren aus der Halbleitertechnik zu realisieren.

Inhalt:
  1. Computerforschung: Quantencomputer aus Silizium werden realistisch
  2. So funktioniert das CNOT-Gatter
  3. Die Physik der Quantenpunkte

Die Idee dahinter existiert in der Theorie mindestens seit 2002, und über Ansätze der praktischen Umsetzung wurden schon ganze Doktorarbeiten geschrieben. Die Forscher konnten 2017 die früher nur theoretische Möglichkeit, ein CNOT Gatter mit der Technik in einem Schritt umzusetzen, tatsächlich demonstrieren.

Die gesamte Technik basiert auf Qubits aus Silizium-Quantenpunkten, Englisch quantum dots, deren Herstellung inzwischen gut bekannt ist. Zwar kommt dabei weitgehend bekannte Halbleitertechnik zum Einsatz, sie benötigt aber Betriebstemperaturen von -273 Grad Celsius oder 0,15 Kelvin, um die empfindlichen Quantenzustände nicht zu stören. Einige Forscher hoffen allerdings, die Temperatur auf -272 oder gar -269 Grad Celsius erhöhen zu können. Erst das Quantengatter macht die Qubits zum Quantencomputer.

Elektrische Felder sperren Elektronen ein

Das CNOT-Gatter ist eines dieser universellen Quantengatter. Es ist ein sogenanntes bedingtes NOT. Seine Aufgabe ist, den Zustand eines Qubits umzukehren, aber nur, wenn sich ein anderes Qubit in einem bestimmten Zustand befindet. Dabei darf sich jedoch der Zustand dieses Steuerqubits (control qubit) nicht ändern und es darf auch nicht seine Quanteneigenschaften verlieren. Schließlich soll es anschließend möglich sein, mit beiden Qubits weiter zu rechnen. Neu ist an der Entwicklung vor allem, dass das CNOT-Gatter direkt in einem Schritt implementiert wird und nicht durch die fehleranfällige Kombination aus anderen Gattern, wie es bisher für Quantencomputer auf Halbleiterbasis als notwendig galt.

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In Quantenpunkten können Elektronen in elektrischen Feldern isoliert werden. Dazu werden Drähte auf einer isolierenden Schicht Siliziumdioxid aufgebracht. Dann wird eine passende Spannung angebracht. Dadurch entstehen unterhalb der isolierenden Schicht elektrische Felder. Dort befinden sich Elektronen, die im Prinzip frei beweglich wären, aber durch die elektrischen Felder beeinflusst werden. Einzelne Elektronen können dabei als Qubits fungieren. Das CNOT-Gatter benötigt aber zwei solcher Qubits. In der Konstruktion dienen drei Elektroden allein dazu, die beiden Qubits am Platz zu halten und gezielt voneinander zu trennen oder zusammenzubringen, indem eine passende Spannung angelegt wird.

Die Qubit-Eigenschaft kommt zustande, weil Elektronen einen Eigendrehimpuls haben, den Elektronenspin. Mit Hilfe eines kleinen Kobaltmagneten auf dem Wafer können die Elektronen dazu gebracht werden, sich parallel zur der Achse ihres Eigendrehimpulses, dem Elektronenspin, an dem Magnetfeld auszurichten. Genau genommen kann sich die Spinachse dabei entweder parallel zum Magnetfeld ausrichten oder antiparallel. Da wir aber von Qubits sprechen, ist der erste Fall schlicht der Zustand 1 und zweite der Zustand 0.

So funktioniert das CNOT-Gatter 
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mrgenie 11. Jan 2018

Die Erklaerung ist extrem kompliziert im mathematischen Sinne. Wir hatten das an der Uni...

honna1612 08. Jan 2018

Sag ich doch. Gibt es noch nicht. Aber bald.


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