Kernstück für einen skalierbaren Quantencomputer

Millionen von Quantenbits sind nötig, damit Quantencomputer sich in der Praxis als nützlich erweisen. Die sogenannte Skalierbarkeit gilt als eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung. Ein Problem: Die Qubits müssen auf dem Chip sehr nahe beieinander liegen, um sie miteinander zu koppeln. Forscher des Forschungszentrums Jülich und der RWTH Aachen sind einer Lösung nun einen bedeutenden Schritt nähergekommen. Ihnen gelang es, Elektronen, die Träger der Quanteninformation, über mehrere Mikrometer auf einem Quantenchip zu übertragen. Ihr „Quantenbus“ könnte das entscheidende Puzzleteil sein, um den Sprung zu Millionen Qubits zu meistern.

Quantencomputer versprechen eine bislang unerreichte Rechenleistung. Doch bis sie helfen können, reale Aufgaben zu lösen, ist es noch ein weiter Weg. Viele Anwendungen setzen Quantenprozessoren mit Millionen von Quantenbits voraus. Aktuelle Prototypen verfügen gerade einmal über einige wenige dieser Recheneinheiten.

„Aktuell ist jedes einzelne Qubit über mehrere Signalleitungen mit schrankgroßen Steuer- und Kontrolleinheiten verbunden. Bei einigen wenigen Qubits geht das noch. Aber es funktioniert nicht mehr, wenn man Millionen Qubits auf dem Chip verbauen möchte. Denn das ist für Quantenfehler-korrektur notwendig“, erklärt Dr. Lars Schreiber vom JARA-Institut für Quanteninformation des Forschungszentrums Jülich und der RWTH Aachen.

Die Anzahl der Signalleitungen wird irgendwann zum Flaschenhals. Sie benötigen im Vergleich zur Größe der Qubits zu viel Platz. Und ein Quanten-Chip kann nicht Millionen von Ein- und Ausgängen haben – ein moderner klassischer Chip besitzt nur ungefähr 2000. Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen am Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen forscht Schreiber bereits seit einigen Jahren an einer Lösung, um dieses Problem zu lösen.

Ziel ist es, Teile der Steuerelektronik direkt auf dem Chip zu integrieren. Der Ansatz basiert auf sogenannten Halbleiter-Spin-Qubits aus Silizium und Germanium. Diese sind vergleichsweise winzig. Die Fertigungsprozesse entsprechen größtenteils denen von herkömmlichen Silizium-Prozessoren. Dies gilt als vorteilhaft, wenn es darum geht, sehr viele Qubits zu realisieren. 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. Um die Qubits zu koppeln, müssen sie momentan sehr dicht nebeneinandergesetzt werden. Für zusätzliche Steuerelektronik, die wir dort unterbringen wollen, ist dann schlicht kein Platz“, so Schreiber.

Um die Qubits auseinanderzurücken, verfolgt das JARA Institut für Quanteninformation (IQI) die Entwicklung eines Quanten-Shuttles. Dieses soll helfen, Quanteninformationen zwischen den Qubits über größere Distanzen auszutauschen. Seit fünf Jahren arbeiten die Forscher:innen an dem „Quantenbus“, über 10 Patente haben sie dazu bereits eingereicht. Die Arbeit begann im Rahmen des europäischen QuantERA-Konsortiums Si-QuBus und wird nun national im BMBF-Projekt QUASAR unter industrieller Beteiligung fortgeführt.

„Etwa 10 Mikrometer gilt es von einem Qubit zum nächsten zu überbrücken. Mit einer solchen Architektur wären der Theorie nach dann Millionen von Qubits möglich. Dies haben wir in Zusammenarbeit mit den Schaltungsingenieuren des Zentralinstituts für Engineering, Elektronik und Analytik am Forschungszentrum Jülich kürzlich prognostiziert“, erläutert IQI-Institutsleiter Prof. Hendrik Bluhm. Auch Forschende der TU Delft und von Intel kamen bereits zu diesem Ergebnis.

Ein wichtiger Schritt ist Lars Schreiber und seiner Arbeitsgruppe nun geglückt. Ihnen gelang es, ein Elektron 5000-mal über eine Distanz von 560 Nanometer ohne nennenswerte Fehler zu transportieren. Das entspricht einer zurückgelegten Distanz von 2,8 Millimeter. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift npj Quantum Information vorgestellt.

"Surfende" Elektronen

Eine wesentliche Neuerung: Die Elektronen werden mittels vier einfachen Steuersignalen angetrieben, die – im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen – auch über längere Distanzen nicht komplizierter werden. Das ist wichtig, da sonst eine entsprechend aufwändige Steuerelektronik fällig wird, die zu viel Platz einnimmt oder sich gar nicht mehr auf dem Chip integrieren lässt.

Dahinter steckt eine neue Art und Weise, wie Elektronen transportiert werden. „Bisher hat man versucht, die Elektronen gezielt um einzelne Störungen auf ihrem Weg herum zu lenken. Oder man erzeugte eine Reihe von sogenannten Quantenpunkten und ließ die Elektronen von einem dieser Punkte zum nächsten hüpfen. Beides erfordert eine genaue Signalanpassung, die sehr aufwändig ist“, erklärt Lars Schreiber. „Wir erzeugen dagegen eine Potentialwelle, auf der die Elektronen über verschiedene Störquellen einfach hinweg surfen. Für eine solche einheitliche Welle braucht man nur noch wenige Steuerungssignale, vier Sinuspulse reichen dazu schon aus.“

Im nächsten Schritt wollen die Physikerinnen und Physiker nun zeigen, dass die Qubit-Information, die im Elektron-Spin kodiert ist, nicht beim Transport verloren geht. Theoretische Berechnungen haben bereits gezeigt, dass dies in bestimmten Geschwindigkeitsbereichen in Silizium funktioniert. Der Quantenbus ebnet damit den Weg zu einer skalierbaren Quantencomputer-Architektur, die auch noch mit mehreren Millionen Qubits funktioniert.