Forschung

Qubit schaltet zwischen Rechnen und Speichern

14.01.2021 - Qubit kann zwischen einem langsamen und einem schnellen Zustand wechseln.

Im Vergleich zu konventionellen Bits sind Quantenbits viel anfälliger auf Störungen und können ihren Informations­gehalt sehr schnell verlieren. Das Rechnen mit Quanten steht deshalb vor der Schwierigkeit, die empfind­lichen Qubits über längere Zeit stabil zu halten und gleichzeitig Wege zu finden, um schnelle Quanten­operationen durchführen zu können. Physiker der Univer­sität Basel und der TU Eindhoven haben nun ein umschaltbares Qubit entwickelt, das beides ermöglichen soll.

Das neuartige Qubit verfügt über einen stabilen, aber langsamen Zustand, der für die Speicherung der Quanten­information geeignet ist. Über die elektrische Spannung konnten die Forscher das Qubit aber in einen viel schnelleren, dafür weniger stabilen Manipulations­modus schalten. In diesem Zustand lassen sich mit den Qubits Informationen zügig verarbeiten. In ihrem Experiment haben die Wissen­schaftler dazu die Qubits in Form von Lochspins realisiert. Dabei handelt es sich um eine Leerstelle, die entsteht, wenn ein Elektron gezielt aus einem Halbleiter entfernt wird. Das entstehende Elektronen­loch besitzt einen Spin, der zwei Zustände annehmen kann: hoch und runter – analog zu den Werten 0 und 1 bei klassischen Bits. Über die Abstimmung von Resonanz­frequenzen können diese Spins im neuen Qubit-Typ selektiv gekoppelt werden – zum Beispiel via ein Photon an andere Spins.

Diese Eigenschaft ist von großer Bedeutung, setzt der Bau von leistungs­fähigen Quanten­computern doch voraus, viele einzelne Qubits gezielt steuern und miteinander verschalten zu können. Die Fähigkeit zur Skalierung ist insbesondere nötig, um die Fehlerrate bei Quanten­berechnungen zu verkleinern. Mit dem elektrischen Schalter konnten die Forscher die Spin-Qubits auch in rekord­hafter Geschwindigkeit manipulieren: „Der Spin lässt sich in nur einer Nano­sekunde kohärent von oben nach unten drehen“, so Studienleiter Dominik Zumbühl. „Das würde fast eine Milliarde Schaltungen in einer Sekunde erlauben. Damit nähert sich die Spin-Qubit-Techno­logie den Taktraten der heutigen konventionellen Computer.“

Die Forscher verwendeten für ihre Experimente einen Halb­leiter-Nanodraht aus Silizium und Germanium, der an der TU Eindhoven hergestellt wurde und dessen Durchmesser nur etwa zwanzig Nanometer beträgt. Entsprechend klein ist auch die Größe des Qubits, wodurch im Prinzip Millionen oder sogar Milliarden von solchen Qubits auf einem Chip integriert werden können.

U. Basel / JOL

Weitere Infos

Vibroakustische Emissionen bei Turbopumpen minimieren mit innovativer Laser Balancing™-Methode

Mehr Informationen
Jetzt Newsletter abonnieren!

Newsletter

Jede Woche gut informiert - abonnieren Sie hier den - Newsletter!

Vibroakustische Emissionen bei Turbopumpen minimieren mit innovativer Laser Balancing™-Methode

Mehr Informationen
Jetzt Newsletter abonnieren!

Newsletter

Jede Woche gut informiert - abonnieren Sie hier den - Newsletter!