Basel – Quantencomputer benötigen zum Rechnen Qubits als elementare Bausteine, die Informationen verarbeiten und speichern. Physiker haben nun ein neuartiges Qubit realisiert, das sich von einem stabilen Ruhezustand in einen schnellen Rechenmodus umschalten lässt. Das Konzept eignet sich auch, um viele Qubits zu einem leistungsstarken Quantenrechner zu verbinden, berichten Forscher der Universität Basel und der TU Eindhoven in der Fachzeitschrift «Nature Nanotechnology».
Im Vergleich zu konventionellen Bits sind Quantenbits (Qubits) 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.
Gezielte Kopplung einzelner Spins
In ihrem Experiment haben die Wissenschaftler die Qubits in Form von sogenannten 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.
Ultraschnelle Spin-Manipulation
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 Prof. Dr. Dominik Zumbühl vom Departement Physik der Universität Basel. «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 20 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. (Universität Basel/mc/ps)
Originalpublikation
Florian N. M. Froning, Leon C. Camenzind, Orson A. H. van der Molen, Ang Li, Erik P. A. M. Bakkers, Dominik M. Zumbühl, and Floris R. Braakman
Ultrafast hole spin qubit with gate-tunable spin–orbit switch functionality
Nature Nanotechnology (2021); doi: 10.1038/s41565-020-00828-6
Nationaler Forschungsschwerpunkt SPIN
Diese Arbeit wurde im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunkts SPIN durchgeführt, der 2020 gestartet ist. Der NFS SPIN arbeitet an skalierbaren Spin-Qubits in Halbleiter-Nanostrukturen aus Silizium und Germanium und entwickelt kleine und schnelle Qubits für einen universellen Quantencomputer. Das SPIN-Netzwerk umspannt sowohl die ETH Lausanne und Zürich als auch den Industriepartner IBM Research und vereint Forschungsgruppen aus den Bereichen experimentelle und theoretische Physik, Materialwissenschaften, Ingenieurwissenschaften und Computerwissenschaften.