Quantenbits: Nah und doch getrennt

Rechnen mit Atomen: Forscher haben eine Methode entwickelt, mit der man eng benachbarte Quantenbits auf einem Siliziumchip einzeln und störungsfrei ansteuern kann – eine wichtige Voraussetzung für Quantencomputer. Der Trick dahinter: Die Quantenbits bestehen aus einer unterschiedlichen Zahl von Phosphoratomen – und reagieren dadurch auf verschiedene Frequenzen der Steuersignale, wie die Forscher im Fachmagazin „Science Advances“ berichten.

Sie bestehen aus Atomen, Ionen oder Molekülen: In Quantencomputern übernehmen kleinste Teilchen die Aufgabe von Transistoren und Gates. Dank Phänomenen wie der Überlagerung und Verschränkung könne diese Quantenbits selbst komplexe Aufgaben parallel abarbeiten und so höhere Leistungen erreichen als herkömmliche Rechner. Noch steckt die Technologie zwar erst in den Anfängen, aber erste kommerzielle Quantencomputer gibt es bereits. Zwei Quantenrechner haben sich sogar schon im Duell gemessen.

Bevor Quantencomputer aber massentauglich werden, gibt es einige Hürden zu überwinden. So müssen die Quantenbits ihre Verschränkung und Überlagerung möglichst lange und stabil aufrechterhalten können. Zudem muss es möglich sein, sie einzeln zu kontrollieren und auszulesen, ohne ihre Funktionsfähigkeit zu stören.

Phosphoratome als Quantenbits

Ein entscheidender Schritt dahin ist nun Samuel Hile von der University of New South Wales und seinen Kollegen gelungen. Sie hatten vor einigen Jahren den kleinsten Transistor der Welt konstruiert – ein Bauteil, das nur aus einem Phosphoratom, eingebettet in eine Siliziumoberfläche, besteht. Ihre neue Studie baut nun auf diesen Phosphor-Quantenbits auf.

„Phosphor-Fremdatome in Silizium sind vielversprechende Kandidaten für künftige Feststoff-Quantencomputer, denn sie besitzen eine außergewöhnliche Langlebigkeit und hohe Zuverlässigkeit“, erklären die Forscher. Um jedoch aus diesen Atomen Quantengatter aus zwei und mehr Qubits zu konstruieren, müssen die Phosphoratome sich nahe sein – nur rund 15 Nanometer getrennt. „Die Herausforderung ist es daher, diese im Prinzip identischen Qubits einzeln anzusprechen, obwohl sie so dicht beieinanderliegen“, so Hile und seine Kollegen.

Aufbau des Siliziumchips mit den beiden eingebetteten Quantenbits (Mitte) © Hile et al./ Science Advances, CC-by-sa 4.0

Aus eins mach zwei

Eine Lösung dafür haben die Forscher nun entwickelt. Für ihr Experiment nutzten sie eine Siliziumoberfläche, in die sie mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops zunächst mehrere Steuer-Elektroden platzierten. Anschließend erzeugten sie durch Bedampfung mit Phosphin (PH3) und einer speziellen Maske zwei nur 16 Nanometer voneinander entfernte Quantenbits aus Phosphor.

Der Clou dabei: Einer dieser Phosphor-Quantenbits bestand aus einem Phosphoratom und einem einzelnen Elektron, der andere aber aus zwei Phosphoratomen plus dem Elektron. „Die Möglichkeit, die Zahl der Atome in diesen Qubits zu bestimmen, eröffnet uns einen Weg, um sie selektiv anzusteuern“, erklärt Hiles Kollegin Michelle Simmons.

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Selektiv angesteuert

Um die Quantenbits zu kontrollieren, ergänzten die Forscher ihren Quantenbit-Chip um eine Mikrowellenantenne – ein hauchdünnes Gebilde, das über den beiden durch eine Silizium-Deckschicht geschützten Phosphor-Bits liegt. Über diese Antenne bauten sie ein elektromagnetisches Feld auf und manipulierten dann mithilfe der Steuer-Elektroden im Chip den Spin der beiden Quantenchips.

Dabei zeigte sich: Je nach Frequenz der Steuersignale reagierte mal das eine, mal das andere Qubit. „Wir können so die beiden Qubits jeweils gezielt ansteuern – das ist ähnlich wie das Tunen eines Radios auf verschiedene Sender“, erklärt Hile. „Unsere Studie belegt, dass man benachbarte Qubits in Resonanz bringen kann, ohne dass sie sich gegenseitig stören oder beeinflussen.“ Dadurch komme es beim Quantenrechnen mit diesen Bits zu erheblich weniger Fehlern.

Atomzahl als „Adresse“

Durch die Nutzung von Quantenbits gleicher Machart, aber aus unterschiedlich vielen Atomen könnte sich so ein Quantencomputer konstruieren lassen, in dem die Bits zwar eng beieinander liegen, aber dennoch störungsfrei arbeiten. „Unser Bauprinzip erzeugt gewissermaßen eine eingebaute Adresse – und das hat große Vorteile für künftige siliziumbasierte Quantencomputer“, so Hile. (Science Advances, 2018; doi: 10.1126/sciadv.aaq1459)

(University of New South Wales, 16.07.2018 – NPO)