Forschung

Halbleiter-Chip mit Quantenbus

29.09.2022 - Quantenbus soll Quanteninformationen zwischen Qubits über größere Distanzen austauschen.

Millionen von Quantenbits sind nötig, damit Quantencomputer sich in der Praxis als nützlich erweisen. Die 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. Viele Anwendungen setzen Quanten­prozessoren mit Millionen von Quantenbits voraus. Aktuelle Prototypen verfügen gerade einmal über einige wenige dieser Rechen­einheiten. Forscher des Forschungs­zentrums Jülich und der RWTH Aachen sind einer Lösung nun einen bedeutenden Schritt nähergekommen. Ihnen gelang es, Elektronen über mehrere Mikrometer auf einem Quantenchip zu übertragen. Ein solcher „Quantenbus“ könnte das entscheidende Puzzle­teil sein, um den Sprung zu Millionen Qubits zu meistern.

 

„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 Quanten­fehler­korrektur notwendig“, erklärt 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 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 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 an dem Quantenbus, über zehn 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 zehn 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 Hendrik Bluhm. Auch Forscher 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. 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 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 Forscher 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.

FZJ / DE

 

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