Nächster Schritt zum Quantencomputer: Phosphoratome bringen Forscher dichter an den Supercomputer

Quantencomputer gelten als die nächste große Revolution in der Computertechnik. In ihnen übernehmen kleinste Teilchen wie Atomie, Ionen oder Moleküle die Aufgaben von Transistoren und Gates. Quantenphänomen wie die Überlagerung und die Verschränkung sorgen dann dafür, dass die sogenannten Quibits selbst viele komplexe Aufgaben parallel bearbeiten können. Die Rechenleistung von Quantencomputern stellt jeden herkömmlichen Computer in den Schatten. Auf dem Weg zum wirklich gut nutzbaren Quantencomputer sind aber einige Hürden zu überwinden. Mit der Entdeckung, dass Phosphoratome dabei helfen können, einzelne Qubits trotz räumlicher Nähe zueinander getrennt anzusteuern, sind Forscher der University of New South Wales in Australien einen weiteren Schritt in Richtung eines nutzbaren Quantencomputers gekommen.

Fortschritt dank Phosphor

Erste kommerzielle Quantencomputer existieren bereits, aber es gibt doch noch einige Schwierigkeiten zu überwinden. So muss etwa gewährleistet werden können, dass die Qubits die verschiedenen Quantenzustände auch lange und stabil einhalten können. Ein weiteres Problem ist es, die Qubits auch dann einzeln anzusteuern und zu kontrollieren, wenn sie sich in räumlicher Nähe zueinander befinden – und zwar so, dass ihre Funktion nicht gestört wird. Um letztere Herausforderung haben sich die Forscher rund um Samuel Hile gekümmert.

Bereits vor einigen Jahren haben Hile und sein Team den kleinsten Transistor der Welt entwickelt. Das Bauteil besteht nur aus einem einzigen Phosphoratom, das in eine Siliziumoberfläche eingelassen ist. Auf diese winzigen Phosphor-Qubits bauten die Forscher nun auf.

„ Phosphor-Fremdatome in Silizium sind vielversprechende Kandidaten für künftige Feststoff-Quantencomputer, denn sie besitzen eine außergewöhnliche Langlebigkeit und hohe Zuverlässigkeit„, so das Team. Wer aus diesen Phosphor-Qubits Quantengitter zu konstruieren, dürfen sie nicht weiter als 15 Nanometer voneinander getrennt sein. „ Die Herausforderung ist es daher, diese im Prinzip identischen Qubits einzeln anzusprechen, obwohl sie so dicht beieinanderliegen„, erläutert Hile.

Eigene Adresse für Qubits

In ihren Experimenten haben die Forscher nun wahrscheinlich eine Lösung für das Problem gefunden. Sie nutzen eine Sliliziumoberfläche, in der mehrere Steuer-Elektroden platziert werden. Dann werden mit einer Phosphin-Bedampfung in Kombination mit einer speziellen Maske zwei Phosphor-Qubits auf die Fläche aufgebracht. Dabei besteht das eine Qubit aus einem Phosphor-Atom mit einem Elektron, das andere aus zwei Atomen mit zwei Elektronen. „ Die Möglichkeit, die Zahl der Atome in diesen Qubits zu bestimmen, eröffnet uns einen Weg, um sie selektiv anzusteuern„, so Michelle Simmons, die an dem Projekt beteiligt war.

Der neuen Quantenbit-Chip hat eine Mikrowellenantenne, die ein elektromagnetisches Feld um die Qubits aufbaut und dann mit Hilfe von Steuer-Elektroden den Spin der Qubits manipuliert. Je nach Frequenz der Steuersignale können die Qubits so getrennt voneinander angesprochen werden. „ Wir können so die beiden Qubits jeweils gezielt ansteuern – das ist ähnlich wie das Tunen eines Radios auf verschiedene Sender. Unsere Studie belegt, dass man benachbarte Qubits in Resonanz bringen kann, ohne dass sie sich gegenseitig stören oder beeinflussen„, so Hile.

Mit den neuen Qubits ließe sich ein Quantencopmputer konstruieren, in dem die Qubits zwar dicht beieinander liegen, aber dennoch störungsfrei kontrolliert werden können. Prinzipiell hätte dann jedes Qubit eine eigene Hardware-Adresse – ein Umstand, der bei der Entwicklung von Quantencomputern sehr hilfreich sein könnte.