Überraschend einfach

Forscher nutzen Chipfehler für Qubits

| Autor: Ulrike Ostler

Wie Sterne in einer farbverstärkten Momentaufnahme des Nachthimmels stellen diese gelb-grünen Punkte Stellen auf einem Siliziumkarbid-Wafer dar, an denen ein Elektronenstrahl ein Siliziumatom und ein Kohlenstoffatom herausgeschlagen hat. Was zurückbleibt, ist eine "Divacancy"-Tasche, die ein einzelnes adressierbares Elektron beherbergt. Forscher haben herausgefunden, dass diese Einzelelektronenstrukturen als mögliche Quantenbits für Quantenberechnungen und Kommunikation genutzt werden können.
Wie Sterne in einer farbverstärkten Momentaufnahme des Nachthimmels stellen diese gelb-grünen Punkte Stellen auf einem Siliziumkarbid-Wafer dar, an denen ein Elektronenstrahl ein Siliziumatom und ein Kohlenstoffatom herausgeschlagen hat. Was zurückbleibt, ist eine "Divacancy"-Tasche, die ein einzelnes adressierbares Elektron beherbergt. Forscher haben herausgefunden, dass diese Einzelelektronenstrukturen als mögliche Quantenbits für Quantenberechnungen und Kommunikation genutzt werden können. (Bild: David Awschalom/University of Chicago)

Wissenschaftler der Universität von Chicago entdecken eine einfache Technik, die zu Kosteneinsparungen bei Quantencomputern führen könnte.

Forscher an der Universität von Chicago haben ein Verfahren entwickelt, das möglicherweise zur Massenproduktion von Qubits führen könnte. Die Technik umfasst die Modifizierung von handelsüblichen Siliziumkarbid-Wafern . Das sind dieselben Chips, die derzeit beim Bau herkömmlicher Computer verwendet werden.

In der Pressemitteilung heißt es: „Das Rezept war überraschend einfach: Kaufen Sie einen handelsüblichen Wafer aus Siliziumkarbid (ein temperaturbeständiger Halbleiter, der in Elektrofahrzeugen, LED-Leuchten, Solarzellen und 5G-Geräten verwendet wird) und schießen Sie einen Elektronenstrahl darauf. Der Strahl erzeugt einen Defekt im Wafer, der sich im Wesentlichen wie ein einzelner Elektronenspin verhält, der elektrisch, magnetisch oder optisch manipuliert werden kann.

Das Papier stützt sich auf frühere Arbeiten von Wissenschaftlern der Universität von Kalifornien, Santa Barbara, die entdeckten, dass kleine Defekte in einem Siliziumkarbid-Chip zur Isolierung einzelner Qubits verwendet werden können.

Wenn´s funktioniert, ist es kostengünstig

Der Molekulartechnik-Professor David Awschalom von der Universität Chicago fügt hinzu: „Es ist doch Ironie, dass wir etwa 50 Jahren versucht haben, Halbleiter zu reinigen, um hochwertige Elektronik herzustellen. Nun bauen wir die Defekte wieder ein und nutzen sie zur Herstellung eines gefangenen Atoms in einem Halbleiter.“

Und diese einzelnen Elektronenspins im Inneren von Siliziumkarbid behalten ihre Quanteninformation bis zu einer Millisekunde - eine lange Zeit in der Welt des Quantencomputers - und können somit sowohl mit elektrischen Gattern als auch mit Lasern abgestimmt und adressiert werden.

Die Technik könnte ein Medium bieten, das zudem ausreichend vom thermischen Rauschen isoliert ist, um Quantenphänomene wie Verschränkung zu beherbergen, aber nicht so isoliert, dass Qubits nicht manipuliert werden und durch eine Reihe von Gates und logischen Operationen laufen können.

Überraschung!

Awschalom sagt: „Unser Ansatz ist es, zu sehen, ob wir die Billionen Dollar oder so der amerikanischen Industrie, die die heutige Nanoelektronik aufbaut, wirksam einsetzen können: Wir dachten, wir kaufen einfach kommerzielle Geräte, erzeugen Fehler und sehen, wie gut das funktioniert.“

Er fügt hinzu, dass sein Team zugleich „ziemlich pessimistisch“ gewesen sei, weil das Material nicht für Quanteninformationstechnologien geschaffen wurde: „Man könnte denken: 'Das kann nicht funktionieren. Aber das ist das Schöne an der Forschung, man versucht es trotzdem. Und wir haben eine Reihe von Dingen gelernt, die wir, ehrlich gesagt, nicht erwartet hatten.“

Mit anderen Worten, es hat funktioniert. In ihrer Arbeit, die in einer kürzlich erschienenen Ausgabe der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde, berichtet die Gruppe, dass die Herstellungsfehler in ihren Siliziumkarbid-Dioden eine stabile einzelne Elektronentasche erzeugen, die bis zu und weit über Raumtemperatur zusammenhält. Aufgrund der Konfiguration der Defekte - die mit einer Symmetrie im Siliziumkarbidgitter zu tun hat - kann der einzelne Elektronenspin nicht nur durch Magnetfelder, sondern auch durch elektrische Felder manipuliert werden.

Einsatz von Laserpulsen

Das andere wichtige Ergebnis der Forschungsarbeit der Gruppe sei die Möglichkeit, diese Elektronenspins so abzustimmen, dass sie auch mit Laserpulsen angesprochen werden können.

Die Forscher veröffentlichten kürzlich in der Zeitschrift Science Advances eine weitere Arbeit, in der sie feststellten, dass die gleichen Siliziumkarbid-Qubits ein potenzielles Quantenkommunikationsmedium sein könnten. Die Spins können so manipuliert werden, dass sie in einem breiten Bereich mit Licht in Resonanz treten - wie in einem Frequenzbereich von 800 Gigahertz. Und die Linienbreite dieser Spins, sagt Awschalom, ist ebenfalls ziemlich eng: 20 Megahertz.

Das bedeutet, dass jedes einzelne Qubit potenziell so abgestimmt werden könnte, dass es über einen von etwa 40.000 verschiedenen Frequenzbereichen kommunizieren kann - ähnlich wie ein Quanten-Ham-Radio mit etwa 40.000 Einzelkanälen.

Fortschritt

„Man kann beginnen, über Quantenmultiplexing in einem kommerziellen Wafer nachzudenken“, sagt Awschalom.

Umgekehrt aber heißt das: Das Awschaloms-Team hat im Moment nichts, was einem funktionierenden Quantencomputer nahe kommt. Technisch gesehen haben sie noch nicht einmal ein nachweisbares Quantenbit, das zuverlässig und wiederholbar durch jedes Quantenberechnungs- oder Kommunikationsprotokoll auf Herz und Nieren geprüft werden kann. Aber sie haben einen Kandidaten für ein Qubit und eine Quantencomputertechnologie, die von Natur aus recht viel versprechend ist.

*Seine Forschungsergebnisse veröffentlichte Professor David Awschalom im techtalk des IEEE

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