Der Weg zum Quantencomputer

Wie geht die Entwicklung des Quantencomputers derzeit in Deutschland und Europa voran? Forschende der Universität Konstanz um Prof. Dr. Guido Burkard berichten von den entscheidenden Herausforderungen, vom Potenzial von Silizium-Quantenbits und wie sich drei neue Forschungsverbünde formieren – auf europäischer Ebene, auf Bundesebene sowie auf Ebene des Landes Baden-Württemberg.

© AG Burkard | Schematische Darstellung des neuen Spin Qubits bestehend aus vier Elektronen (rot) mit ihren Spins (blau) in der umgebenden Halbleiterstruktur (grau).

Der Wettlauf zum Quantencomputer wird sich aller Voraussicht nach am Quantenbit (Qubit) entscheiden – der kleinsten Informationseinheit des Quantencomputers. Die Kopplung mehrerer Qubits zu einem Rechensystem zählt zu den aktuell größten Herausforderungen bei der Entwicklung des Quantencomputers. Eine Kernfrage ist, welches physikalische System und welches Material sich am besten für Qubits eignet. Am weitesten entwickelt sind Qubits auf Basis von Supraleitern – es zeichnet sich jedoch zunehmend ab, dass die Silizium-Halbleitertechnologie eine aussichtsreiche Alternative mit entscheidenden Vorteilen bei der Chip-Herstellung sein könnte.

Woraus Qubits bestehen
Das klassische Bit ist die kleinste Speichereinheit unserer gegenwärtigen Computer. Es kann exakt zwei Werte annehmen: Eins und Null – oder anders angesagt: Strom fließt („Eins“) beziehungsweise Strom fließt nicht („Null“). Das Quantenbit ist hingegen nicht auf diese beiden Zustände limitiert: Es kann einen Zwischenzustand aus Eins und Null zugleich annehmen, die sogenannte „Superposition“. Erst im Moment der Messung wird dieser Zwischenzustand auf einen festen Wert gebracht. Mit anderen Worten: Während normale Bits zu jeder Zeit einen festgelegten Wert haben, nehmen Qubits immer erst im Moment der Messung einen definierten Wert ein. Auf dieser Eigenschaft beruht die massive Rechenleistung, welche Quantencomputer bei einigen Problemstellungen nutzen können.

Die Speicherung von Quanteninformation wird dadurch ungleich komplizierter – ein einfaches „Strom an/Strom aus“ reicht nicht. Stattdessen dienen die schnellsten und kleinsten Prozesse in Raum und Zeit als Grundlage: Quantenzustände von Elektronen oder Photonen können genutzt werden, um ein Qubit zu realisieren. Im Fall der Silizium-Quantenbits wird der Eigendrehimpuls eines einzelnen Elektrons – der sogenannte Elektronenspin – als Informationsspeicher herangezogen. Die Drehrichtung des Elektrons in Kombination mit seinem Quantenzustand kodiert dabei die Quanteninformation. Das ist höchst fragil, wie man sich vorstellen kann, denn schon kleinste Störungen auf atomarer Ebene können den Drehimpuls eines Elektrons beeinflussen und die Quanteninformation zunichtemachen.

Die Herausforderung der Gegenwart: Quantenbits koppeln
Noch schwieriger wird es, Quantenbits miteinander zu verschalten. Denn um eine Rechenoperation vorzunehmen, reicht ein einzelnes Quantenbit nicht aus. Genau wie bei klassischen Computern müssen auch beim Quantencomputer viele (Quanten-)Bits miteinander zu einem Rechensystem gekoppelt werden: Die einzelnen Qubits müssen folglich miteinander interagieren können. Wenn die zu koppelnden Qubits auf dem Chip weit auseinander liegen, muss ein Qubit zunächst mit einer Art „Quantenbus“ in die Nähe des anderen gebracht werden, damit eine Rechenoperation ermöglicht wird.

Handwerklich bedeutet das im Fall des spinbasierten Qubits, dass der Drehimpuls eines Elektrons präzise und möglichst störungsfrei transportiert oder auf ein anderes Elektron übertragen werden muss – und das nicht nur einmal, sondern potenziell tausend- bis millionenfach. Eine Herausforderung für die Wissenschaft – die Verschaltung der Qubits stellt die aktuell wohl größte Hürde bei der Entwicklung des Quantencomputers dar. „Es ist nicht dasselbe, ob man ein einzelnes Quantenbit einrichtet, oder ob man zehn, hunderte oder tausende davon zusammenschaltet. Es können Wechselwirkungen zwischen den Qubits entstehen, die nur schwer in den Griff zu bekommen sind“, schildert Prof. Dr. Guido Burkard, Professor für Theoretische Festkörperphysik und Quanteninformation an der Universität Konstanz.

Die am weitesten fortgeschrittenen Prototypen des Quantencomputers erreichen gegenwärtig die Kopplung von rund 20 bis 50 Qubits.

„Das ist bereits ein großer Erfolg. Bis zur richtigen Anwendung ist es aber noch ein weiter Weg. Da braucht es Tausende oder Millionen von Qubits, um sinnvolle Rechenoperationen durchzuführen.“

Prof. Dr. Guido Burkard, Professor für Theoretische Festkörperphysik und Quanteninformation an der Universität Konstanz

Das Potenzial von Silizium
Die bislang am weitesten entwickelten Quantencomputer-Systeme basieren auf Supraleitern. Supraleiter-Systeme sind extrem leistungsfähig, haben jedoch mit Einschränkungen zu kämpfen: Sie operieren nicht bei Raumtemperatur, sondern bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt (bei rund -273 Grad Celsius). Zudem sind supraleitende Qubits relativ energieaufwändig und aus Sicht der technischen Miniaturisierung vergleichsweise groß, so dass nur wenige Supraleiter-Qubits auf einen Chip passen.

Parallel zur Weiterentwicklung der Supraleiter-Qubits findet daher eine Forschung zu alternativen Systemen statt. Zu den aussichtsreichsten Materialien zählt Silizium: „Wir glauben, dass die auf Silizium basierten Halbleiter-Qubits sehr vielversprechend sind“, erklärt Guido Burkard. Siliziumbasierte Quantenbits haben den Vorteil, dass sie mit einer Größe von nur wenigen Nanometern entschieden kleiner sind als Supraleiter-Systeme. Folglich können sehr viel mehr davon in einen Computerchip gefasst werden – potenziell Millionen. „In der Industrie gibt es zudem eine jahrzehntelange Erfahrung im Bereich der Silizium-Halbleitertechnologie. Hiervon profitiert die Entwicklung und Herstellung von siliziumbasierten Qubits enorm – ein Vorteil, der nicht zu unterschätzen ist“, führt Guido Burkard aus.

Bereits 2017 gelang es der Arbeitsgruppe von Guido Burkard in Zusammenarbeit mit der Princeton University und der University of Maryland, ein stabiles „Quantengatter“ für Silizium-Qubits zu erstellen – also ein Schaltsystem für zunächst Zwei-Qubit-Systeme, das alle Grundoperationen des Quantenrechners durchführen konnte. Ein Meilenstein, auf dem die Physiker nun aufbauen: „Unsere Aufgabe ist es nun, hochzuskalieren und eine möglichst große Zahl an Silizium-Qubits möglichst störungsfrei zusammenzuschalten“, spricht Burkard. Um dieses Ziel zu erreichen, hat er sich nun im Rahmen von drei großen Forschungsverbünden auf Ebene von Europa, von Deutschland und von Baden-Württemberg mit führenden Forschungsgruppen im Bereich der Qubit-Entwicklung zusammengetan.

Auf europaweiter Ebene: Forschungsverbund QLSI
Der Forschungsverbund QLSI („Quantum Large-Scale Integration with Silicon“) ist ein Projekt im Bereich der siliziumbasierten Quantencomputertechnologie, welches im Rahmen des „Flagschiffs“ der Europäischen Union (EU) zu den Quantentechnologien durchgeführt wird. Das Projekt bringt die Expertise von 19 Forschungseinrichtungen in Europa zusammen, die Koordination liegt beim Forschungsinstitut CEA-Leti in Grenoble (Frankreich). „Die Aufgabe von QLSI ist, vereinfacht gesagt, der Schritt vom einzelnen Silizium-Qubit zu komplexen Schaltsystemen“, sagt Guido Burkard.

„Seitens der Universität Konstanz bringen wir unsere Erfahrungen im Bereich der Theorie und Simulation des Transports von Quanteninformation in den Verbund mit ein. Wir werden die Qubit-Schaltsysteme modellieren und dabei erarbeiten, wie Quanteninformation möglichst störungsfrei transportiert werden kann. Wir möchten die Wechselwirkungen zwischen den spinbasierten Qubits verstehen und Störfaktoren minimieren.“

Prof. Dr. Guido Burkard

Der Forschungsverbund QLSI nahm im Dezember 2020 seinen Auftakt und wird für eine Laufzeit von vier Jahren mit 15 Millionen Euro gefördert.

Auf bundesweiter Ebene: Forschungsverbund QUASAR
Der Forschungsverbund QUASAR setzt sich zum Ziel, einen Halbleiter-Quantenprozessor „Made in Germany“ zu entwickeln, der auf dem sogenannten „Shutteln“ von Elektronen basiert. Die Grundlage bildet ein sogenannter Quantenbus, der es ermöglicht, einzelne Elektronen mitsamt ihrer Quanteninformation über Distanzen von bis zu zehn Mikrometern hinweg zu transportieren. Die Technik beruht auf hintereinandergeschalteten Elektroden, die die Quantenpunkte durch pulsierende Spannungen „wie auf einem Förderband“ von einem Ende zum anderen bewegen.

Der Verbund QUASAR wird seitens des Forschungszentrums Jülich koordiniert und führt Forschungseinrichtungen und Industriepartner aus ganz Deutschland zusammen. Guido Burkards Arbeitsgruppe ist einer der Projektpartner: „QUASAR hat zum Ziel, auf nationaler Ebene das Forschungswissen im Bereich der Grundlagenforschung mit den Erfahrungen der Industriepartner im Bereich der Halbleitertechnologie zusammenzuführen“, so Burkard. QUASAR startete im Februar 2021 und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) bis 2025 mit 7,5 Millionen Euro gefördert.

Auf Ebene des Landes Baden-Württemberg: Kompetenzzentrum Quantencomputing
Das von der Fraunhofer-Gesellschaft koordinierte und vom Land Baden-Württemberg geförderte „Kompetenzzentrum Quantencomputing Baden-Württemberg“ stellt der Forschung und Industrie einen existierenden Quantencomputer für Entwicklungs- und Testzwecke zur Verfügung. „Im Rahmen des Kompetenzzentrums ist die Universität Konstanz an den beiden Projekten QORA und QC4BW beteiligt“, schildert Guido Burkard. Bei QORA handelt es sich um ein Quantensoftware-Projekt mit der Aufgabe der Optimierung von Algorithmen des Quantenrechnens. QC4BW verfolgt hingegen als Hardware-Projekt das Ziel, Quanteneffekte in Diamanten als mögliche Grundlage von Qubits zu erforschen. Die Arbeitsgruppe von Guido Burkard bringt hierbei ihre Expertise bei der Charakterisierung und Kontrolle von Quanteneffekten in Diamanten ein.


 

Dr. Jürgen Graf

Von Dr. Jürgen Graf - 04.03.2021