Quantencomputer: Silizium-Chip liest Quantenpunkte in Rekordzeit
Der Bau eines Quantencomputers birgt einige Herausforderungen: Quantenzustände, oft Elektronenspins, müssen über einen längeren Zeitraum stabil gespeichert, geschrieben und gelesen werden. Alles muss in einem Gerät vereint werden und bei niedrigen Temperaturen funktionieren. Das britische Start-up Quantum Motion kann das sogar in einem normalen Halbleiterprozess(öffnet im neuen Fenster) .
Das Unternehmen, gegründet von Forschern des University College London (UCL) und der Universität Oxford, arbeitet daran, die Komponenten eines Quantencomputers in einem normalen Halbleiterprozess zu fertigen. Auf einem lediglich 3 x 3 mm kleinen Chip namens Bloomsbury integriert Quantum Motion 1.024 Quantenpunkte. Die nehmen allerdings nur 0,1 mm 2 der Chipfläche ein, den Großteil belegt Elektronik zum Auslesen der Quantenpunkte. Jeder davon fängt ein Elektron ein, dessen Spin die Grundlage von Berechnungen bildet.
Nachdem Quantum Motion bereits 2021 einen ersten Erfolg feierte – in einem ersten Test-Chip blieb der Spin eines Elektrons für neun Sekunden stabil(öffnet im neuen Fenster) – vermeldet das Unternehmen den nächsten Erfolg: Bloomsbury, der zweite Chip, entstand in einem industriellen Fertigungsprozess auf einem 300-mm-Wafer. Der erste Test-Chip entstand noch in Kleinserie beim französischen Forschungszentrum CAE-Leti(öffnet im neuen Fenster) . Welcher Fertiger Bloomsbury herstellte, verriet Quantum Motion nicht – nur dass es einer der großen ist ( "tier one foundry" ).
Elektronik ist die Besonderheit
Das Besondere an Bloomsbury sind aber nicht die Quantenpunkte, sondern die Ausleseelektronik. Sie ermöglicht es, alle 1.024 Spins in nur 12 Minuten auszulesen, laut Quantum Motion hundert Mal schneller als bei den Chips anderer Unternehmen. Neben Quantum Motion arbeiten nämlich auch andere Unternehmen mit Quantenpunkten.
Die Elektronik ist in einem Quantencomputer extremen Bedingungen ausgesetzt: Um den Elektronenspin möglichst lange stabil zu halten, muss der Chip bis nahe an den absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Was für den Spin gut ist, stellt eine Herausforderung für elektronische Komponenten dar. Die Elektronenmobilität sinkt, Bauteile funktionieren nicht mehr wie unter normalen Bedingungen. Daher entwickelte Quantum Motion neben Sensoren auch Schaltkreise für die Kommunikation mit einem Steuercomputer.
Und der Aufwand hat sich gelohnt: Um Bloomsburys 1.024 Quantenpunkte auszulesen, werden nur neun Verbindungsleitungen benötigt. Bislang waren mehrere Leitungen pro Qubit erforderlich . Das vereinfacht die Konstruktion eines Quantencomputers, da weniger Leiter aus der Kühlkammer herausgeführt werden müssen. Machbar wird das durch einen selbst entwickelten Multiplexer(öffnet im neuen Fenster) , der die Auswahl des zu messenden Quantenpunkts ermöglicht. Berechnen kann Bloomsbury allerdings noch nichts, die Quantenpunkte sind nicht untereinander verschaltet.
Das ist allerdings auch nicht das Ziel von Quantum Motion; hier will man die Technologie für Quantencomputer auf Silizium-Chips entwickeln. So sollen die aktuell noch riesigen Maschinen wesentlich kleiner und günstiger werden. Als Analogie hat das Unternehmen ein Smartphone gewählt. Würde dessen Prozessor mit Elektronenröhren aufgebaut, hätte das Telefon die Größe der Innenstadt von London. Eine ähnliche Skalierung, wie die Halbleiterfertigung sie für digitale Computer ermöglichte, erhofft sich Quantum Motion auch für Quantencomputer.
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