Quantencomputing verbreitet sich: Von Diamantfehlstellen bis Elektronenbussen – jeder will ein Qubit

Wenn man lange genug die Nachrichten zum Quantencomputing verfolgt, kann es einem vorkommen, als könne jedes Quantensystem, das zwischen zwei gut getrennten Energiezuständen wechseln kann, als Qubit verwendet werden. Atome, Ionen, Photonen, Elektronen und hergestellte Bauelemente – alle haben ihre Befürworter. Eines der Hauptmerkmale, das Befürworter anzieht, ist die Skalierbarkeit der Technologie. Wir werden eine Menge hochwertiger Qubits brauchen, um komplexe Berechnungen durchzuführen, und die Fähigkeit einer Technologie, uns dorthin zu bringen, ist Gegenstand von Debatten.

Auch wenn einige Technologien inzwischen Tausende von Qubits unterstützen können, arbeiten einige Konkurrenten noch immer an einer Handvoll Qubits – die dahinterstehenden Unternehmen sind überzeugt, dass sie das Potenzial haben, effektiver zu skalieren.

Eine dieser Technologien betrifft Quantenpunkte, die ein einzelnes Elektron halten. Ihr Vorteil ist, dass wir sie mit derselben Technik herstellen können, die wir auch für herkömmliche Prozessoren verwenden – ein Ansatz, der sich als skalierbar erwiesen hat. Diese Woche gab es zwei neue Arbeiten, die verschiedene Möglichkeiten der Nutzung von Quantenpunkten beschreiben, von denen eine so vielversprechend war, dass IBM das Unternehmen kaufte, das sie entwickelt hat. Unabhängig davon hat ein anderes Unternehmen einen Prozessor vorgestellt, der 100 einzelne Elektronen in Diamantdefekten hält – eine Technologie, bei der nicht klar war, dass sie skalieren kann.

Die erste Nachricht stammt aus einer Veröffentlichung in Nature von einem Unternehmen namens HRL Laboratories, dem Nachfolger des von Howard Hughes gestarteten Forschungsprogramms. HRL verwendet hergestellte Quantenpunkte, eine andere Technologie als die in Displays verwendeten Punkte, obwohl sie auf einigen der gleichen physikalischen Prinzipien beruht. Beide Ansätze nutzen eine Struktur, die Elektronen in einem Bereich einfängt, der kleiner ist als die Wellenlänge des Elektrons. In Displays ermöglicht dies die Kontrolle der Wellenlänge, die das Material emittiert.

Bei Qubits sind die Fallen weitaus kleiner und dienen dazu, ein einzelnes Elektron an Ort und Stelle zu halten. Entscheidend ist, dass sie hergestellt werden können; mit der richtigen Verkabelung können elektromagnetische Wechselwirkungen ein einzelnes Elektron in einem kleinen Siliziumbereich einfangen. Einmal eingefangen, kann der Spin des Elektrons, der up, down oder eine Überlagerung beider sein kann, als Qubit verwendet werden. Obwohl diese Technologie leicht skalierbar ist – wir sind sehr gut darin, Verkabelung in Silizium in großem Maßstab zu integrieren – sind Elektronenspins schwer stabil zu halten und werden typischerweise über Mikrowellen gesteuert, was ein separates Steuersystem erfordert.

Aber „typischerweise“ bedeutet nicht „immer“, und HRL beschreibt eine andere Technik. Sie erfordert drei separate Quantenpunkte, die jeweils ein Elektron halten, wobei die umgebende Elektronik steuert, wie stark die Spins dieser drei Elektronen wechselwirken können. Das ist entscheidend, denn unter bestimmten Bedingungen können keine zwei Elektronen denselben Spin haben. Dies erklärt, warum sich Atomorbitale auf die bekannte Weise füllen, wobei jedes Energieniveau nur ein Paar hält, eines mit Spin-up, das andere mit Spin-down. Wenn man sie wechselwirken lässt, können sich ihre Spins ändern.

Um Operationen mit dieser Art von Qubit durchzuführen, muss man nur steuern, welche Elektronen in welchem Ausmaß wechselwirken. Das wird elektronisch gesteuert, sodass wir Mikrowellen vollständig eliminieren können. Alles wird über Verkabelung erledigt, wodurch die Notwendigkeit vieler mikrowellenführender Kabel in das Kühlsystem entfällt, das die Hardware nahe dem absoluten Nullpunkt hält.

HRL widmet einen Großteil der Arbeit der Beschreibung seines Steuersystems, das sich auf einer mittleren Kühlstufe befindet und aus einem traditionellen Prozessor besteht, der für niedrige Temperaturen und geringen Stromverbrauch optimiert ist und weniger als 3,5 Watt verbraucht, obwohl er in einem 130-nm-Verfahren hergestellt wird. Anweisungen zum Betreiben der Qubits werden anderswo kompiliert, dann in den Controller geladen, woraufhin er autonom arbeitet. Die Kommunikation mit dem Chip, der die Qubits enthält, erfolgt über ein supraleitendes Flachbandkabel.

Das von HRL beschriebene System hatte 18 Qubits, und das Unternehmen führte einen einfachen Fehlerkorrekturcode darauf aus, wobei eine logische Fehlerrate von weniger als 1 Prozent demonstriert wurde. Das liegt weit unter dem, was mit anderen Technologien erreicht wurde, aber es ist eine wichtige Validierung.