Quantencomputer: Intel entwickelt coolen Chip für heiße Quantenbits

Gebaut für eine Kühlung mit flüssigem Helium ist Horse Ridge wohl der coolste Chip, den Intel zur Zeit in Entwicklung hat. Er soll einen Quantencomputer steuern, dessen Qubits mit ungewöhnlich hohen Temperaturen zurechtkommen.

Artikel von Frank Wunderlich-Pfeiffer veröffentlicht am 10. Dezember 2019, 8:00 Uhr

Horse Ridge ist ein Mikrocontroller für Quantencomputer. (Bild: Intel)

Horse Ridge heißt der neue Computerchip von Intel. Ähnlich wie der neu aufgelegte Pentium G3420 wird auch dieser im 22-Nanometer-Prozess gefertigt. Entwickelt für eine Betriebstemperatur von 4 Kelvin und zur Steuerung von Quantencomputerchips ist Horse Ridge ein Versuch, einen Schritt in die Zukunft der Computertechnik zu machen, anders als bei dem veralteten Pentium.

Horse Ridge soll auf kleinem Raum die notwendigen Operationen koordinieren, die für die Steuerung der Qubits in einem Quantencomputer notwendig sind. Dazu müssen exakt kontrollierte Mikrowellen erzeugt werden, um den Quantenzustand der Qubits kontrolliert zu verändern. So lange experimentelle Quantencomputer nur wenige Qubits haben, lässt sich das alles von außen steuern. Deren Zahl wird in praktikablen Quantencomputern aber auf weit mehr als eine Million ansteigen müssen und eine integrierte Steuerung unverzichtbar machen.

Die Quantencomputer, die Intel derzeit entwickelt, sind auf dieses Ziel ausgerichtet. Anders als Googles Sycamore-Chip, der Qubits aus supraleitenden Schwingkreisen verwendet, entwickelt Intel Qubits in Halbleitertechnik aus isotopenreinem Silizium-28 und demonstrierte deren Funktion bereits in einem Experiment mit zwei Qubits.

Intels Qubits sind kleinere und heißere Teile

In den 80 Nanometer großen Quantenpunkten können einzelne Elektronen in einem elektrischen Feld gefangen und beeinflusst werden. Der Spin des gefangenen Elektrons hat dabei die für Qubits notwendigen Quanteneigenschaften. Diese Qubits sind viel kleiner als die 200 Mikrometer großen supraleitenden Schwingkreise, aus denen die Qubits von Googles Quantenchip Sycamore bestehen. Die Zuverlässigkeit der Silizium-Qubits muss zwar noch deutlich verbessert werden, doch dafür nehmen diese schon heute nicht mal ein Millionstel der Fläche eines Supraleiter-Qubits auf dem Chip ein.

Bislang sind alle Qubits zu empfindlich, um allein Berechnungen durchführen zu können, auch die von Google. Es gibt allerdings Korrekturalgorithmen, die auch Rechnungen mit nicht 100 Prozent zuverlässigen Qubits ermöglichen. Jedoch würden etwa 1.000 echte Qubits auf dem Chip benötigt, um damit ein dauerhaft stabilisiertes und zuverlässiges logisches Qubit zu erhalten, mit dem der Computer rechnen kann. Es müssen also mehrere Millionen Qubits gezielt angesteuert werden, nur um einige Kilobit an Daten mit einem Quantenrechner zu verarbeiten.

Diese Millionen Qubits müssen nicht nur auf den Chip passen, sondern auch angesteuert werden, wofür Chips wie Horse Ridge unverzichtbar sind. Bislang mussten solche Systeme durch aufwendige Elektronik mit großen Kabellängen außerhalb des tiefgekühlten Quantencomputers angesteuert werden. Mit einigen Millionen Qubits wird das unmöglich sein. Horse Ridge soll dagegen in unmittelbarer Nähe der Qubits verbaut werden. Selbst dabei helfen die Silizium-Qubits.

Mit einer Betriebstemperatur von 4 Kelvin wäre Horse Ridge für Quantenchips wie Googles Sycamore viel zu heiß, etwa 260 Mal so warm wie Sycamores Betriebstemperatur von 15 Millikelvin. Aber Intel Silizium-Qubits sind nicht nur viel kleinere, sondern auch viel heißere Teile als die der Konkurrenz.