Quantencomputer: Ein Quantenbus behebt den Platzmangel
Forscher in Jülich und Aachen haben einen großen Schritt Richtung Hochleistungs-Quantencomputer gemacht, indem sie ein kaum lösbar erscheinendes Aufbauproblem ansatzweise in den Griff bekommen haben: die Überwindung des Platzproblems auf den Chips.
Millionen von Quantenbits (Qubits) sind nötig, damit Quantencomputer ihre theoretische Stärke voll ausspielen können. Das sind die kleinsten Rechen- und Informationseinheiten eines solchen Computers. Sie basieren auf den Gesetzen der Quantenmechanik, einer physikalischen Theorie, welche das Verhalten der Materie im atomaren und subatomaren Bereich beschreibt.
Die Qubits müssen dicht beieinander liegen, damit sie zusammenarbeiten können. "Aktuell ist jedes einzelne Qubit über mehrere Signalleitungen mit schrankgroßen Steuer- und Kontrolleinheiten verbunden", sagte Lars Schreiber vom JARA-Institut für Quanteninformation des Forschungszentrums Jülich(öffnet im neuen Fenster) und der RWTH Aachen. "Bei einigen wenigen Qubits geht das noch. Aber es funktioniert nicht mehr, wenn man Millionen Qubits auf einem Chip unterbringen möchte."
Signalleitungen werden zum Flaschenhals
Die Anzahl der Signalleitungen wird irgendwann zum Flaschenhals. Sie benötigen im Vergleich zur Größe der Qubits zu viel Platz. Und ein Quantenchip könne nicht Millionen von Ein- und Ausgängen haben – ein moderner klassischer Chip besitze nur ungefähr 2.000, so Schreiber. Ziel ist es deshalb, Teile der Steuerelektronik direkt in den Chip zu integrieren. Das könnte mit sogenannten Halbleiter-Spin-Qubits aus Silizium und Germanium gelingen, die vergleichsweise winzig sind.
Jetzt genügen vier Steuersignale
Doch zunächst müssen einige grundlegende Hindernisse überwunden werden. "Die natürliche Verschränkung, die sich allein aus der Nähe der Teilchen ergibt, ist auf einen sehr kleinen Bereich, etwa 100 Nanometer, begrenzt", erklärte Schreiber. "Um die Qubits zu koppeln, müssen sie momentan sehr dicht nebeneinandergesetzt liegen. Für zusätzliche Steuerelektronik ist dann schlicht kein Platz mehr."
Die Lösung, die sein Team gefunden hat, nennt er Quantenbus. Dieser sorgt dafür, dass Quanteninformationen zwischen den Qubits über größere Distanzen ausgetauscht werden können. Damit gelang es, ein Elektron, Träger der Quanteninformation, 5-000-mal über eine Distanz von 560 Nanometer ohne nennenswerte Fehler zu transportieren. Die Elektronen werden dabei platzsparend mittels vier einfacher Steuersignale angetrieben. "Über Störquellen surfen sie einfach weg", sagte Schreiber.