Quantencomputer versprechen enorme Rechenleistung, aber ihre Bausteine haben einen erheblichen Nachteil: Qubits sprechen meist nur mit ihren direkten Nachbarn. Nun haben Wissenschaftler an der University of Warwick einen Weg gefunden, dieses Problem zu umgehen, indem sie Schallwellen nutzen, um Qubits über einen Chip zu verbinden. Das Ergebnis, veröffentlicht am 15. Juni in APL Quantum, könnte endlich eine großflächige Quantencomputertechnik ermöglichen.
Das Team entwickelte eine prototypische Quantenprozessor-Einheit (QPU), die Qubits mit Phononen – quasi-Teilchen, die Schwingungsenergie transportieren – kombiniert. Sie nennen den Ansatz Quantum Phononic Links (QPLs). Anstatt sich auf sperrige oberflächenakustische Wellen zu verlassen, die komplexe Designs und zusätzliche Hardware erfordern, nutzen die Warwick-Forscher das eigene Kristallgitter des Chips, um entfernten Qubits den Austausch von Quanteninformationen zu ermöglichen.
Das Problem mit benachbarten Qubits
Quantencomputer funktionieren, indem sie Qubits manipulieren, die Quanteninformation in Superpositionszuständen speichern. Aber Qubits sind fragil. Wenn man sie zu weit auseinander bewegt, verlieren sie ihre Kohärenz – ihre Quanteninformation verblasst.
Die konventionelle Lösung ist, die Qubits nahe beieinander zu halten. Das funktioniert für kleine Maschinen, scheitert aber an großen. Eine Maschine mit einer Million Qubits benötigt eine Möglichkeit, Qubits auf gegenüberliegenden Seiten des Chips miteinander kommunizieren zu lassen.
„Eine der wichtigsten Herausforderungen beim Quantencomputing ist die langfristige Qubit-Konnektivität“, sagte Maksym Myronov, ein außerordentlicher Professor für Halbleitermaterialien und -bauelemente an der University of Warwick und Erstautor der Studie, in einer Erklärung. „Unsere Arbeit führt ein neues Konzept ein, bei dem Phononen als ein Quantenbus fungieren und entfernten Qubits ermöglichen, Quanteninformationen auszutauschen, während sie gleichzeitig vollständig mit der Halbleitertechnologie kompatibel bleiben.“
Phononen als Quantenbusse
Der Phononen-Ansatz entlehnt sich Ideen aus der Physik der kondensierten Materie. Phononen sind quasi-Teilchen, die kollektive Schwingungen in einem Festkörper darstellen. Sie existieren natürlich in Halbleitern und bewegen sich durch das Kristallgitter.
Die QPLs des Warwick-Teams sind konstruierte Wellenleiter und Kavitäten, die akustische Moden innerhalb einer kompressiv beanspruchten Germanium-„Quantenbrunnens“ einschließen und leiten. Eine Quantenbrunnens ist eine ultradünne Schicht, die als Führung für Teilchen dient.
Die Forscher konzentrierten sich auf Qubits, die aus Valenzbandlöchern – der Abwesenheit von Elektronen bei absoluter Nulltemperatur – bestehen, die in einem speziellen Material namens kompressionsbeanspruchtes Germanium auf Silizium, oder cs-GoS, untergebracht sind. Germanium ist besonders nützlich für das Quantencomputing, weil es die Dekohärenz durch äußere Einflüsse reduziert.
Wie Hole-Spin-Qubits funktionieren
Ein Loch ist die Abwesenheit eines Elektrons, verhält sich aber wie ein Partikel mit einem Spin-Zustand. Dieser Spin-Zustand kann Quanteninformationen codieren, wobei 1s und 0s durch die Richtung des Spins dargestellt werden.
Hole-Spin-Qubits haben lange Kohärenzzeiten – sie können Quanteninformationen für eine Weile speichern. Sie kommunizieren auch mithilfe von Elektronenimpulsen in Steuersystemen. Sie haben jedoch Schwierigkeiten, Quanteninformationen mit Qubits zu binden und zu teilen, die sie nicht direkt benachbart sind.
Das ist ein großes Problem für die Fehlerkorrektur. Große Systeme benötigen weit entfernte Qubits, um effektiv zu koppeln, und herkömmliche Methoden reichen nicht aus.
Vergleich der Ansätze
Andere Vorschläge für die Langstreckenkommunikation existieren. Einige leiten Kondensatoren um, um die Empfindlichkeit gegenüber Ladungsmüll zu reduzieren. Andere verwenden Oberflächenakustikwellen. Beide haben fundamentale Einschränkungen hinsichtlich Größe und Kohärenz.
QPLs vermeiden diese Probleme. Durch die Verwendung von Phononen als Verbindungen bietet die Technik eine vielseitige Schnittstelle für hybride Quantensysteme – herkömmliche Computer mit Quantencomputing-Funktionalität. Das könnte eine kohärente Verbindung von Halbleiter-Spin-Qubits mit anderen Quantenplattformen ermöglichen, wie z. B. Cloud-basiertem Quantencomputing.
Der Prototyp-Chip
Um die Technologie zu demonstrieren, erstellte das Team eine QPU mit Silizium und einer dünnen Germaniumkristallschicht. Das cs-GoS-Material beherbergt die Valenzbandlöcher.
Die Forscher sendeten schallartige Vibrationen durch das spezielle Material, um Quanteninformationen zwischen den weit entfernten Qubits zu übertragen. Sie verbanden Qubits, die weniger als ein Mikrometer – eintausendstel Millimeter – voneinander entfernt waren, und solche, die bis zu 300 mm – 11,8 Zoll – entfernt waren.
Die langsame Wellengeschwindigkeit und die kurze Wellenlänge der akustischen Anregungen waren entscheidend dafür, das zu ermöglichen. Die Spin-Zustände im Material sind sehr empfindlich auf Gitterdeformationen, was eine präzise Steuerung und Kopplung von Spin-Zuständen mit Schwingungsenergie ermöglicht.
Was kommt als Nächstes (
Die Kombination aus phononenbasierter Technik und Loch-Spin-Physik macht cs-GoS zu einer vielversprechenden Plattform für Quantenarchitekturen der nächsten Generation, so die Forscher. Sie könnte sowohl eine großräumige kohärente Kopplung als auch eine großtechnische Integration erreichen.
Die Arbeit baut auf früheren Fortschritten im Quantencomputing auf. Zu den weiteren jüngsten Entwicklungen gehören ein „genauester“ Quantencomputerchip und ein von Schrödingers Katze inspiriertes Quantencomputing, das 160-mal zuverlässiger ist.
Der Ansatz des Warwick-Teams ist einzigartig. Es nutzt das eigene Gitter des Chips, um Informationen zu bewegen, anstatt externe Komponenten hinzuzufügen.
Das Fazit (
Die großräumige Qubit-Konnektivität ist eines der größten Probleme im Quantencomputing. Das Warwick-Team hat einen cleveren Workaround gefunden und verwendet Phononen als Quantenbus.
Der Ansatz ist vielversprechend, und der Prototyp demonstriert die zugrunde liegende Physik. Ob es sich auf eine Million Qubits hochskalieren lässt, bleibt abzuwarten. Aber der Weg ist jetzt klarer.
Die Arbeit trägt den Titel „Quantum phononic links for on-chip long-range coupling of hole spin qubits in compressively strained germanium on silicon.“ Sie wurde von Myronov, Yonjali Yonjali und Studenikin verfasst. Der DOI-Code lautet 10.1063/5.0332643.
Die Forschung befindet sich noch in der Entwicklung. Ein Quantencomputer mit einer Million Qubits könnte die Grenzen dessen, was das Rechnen leisten kann, erweitern. Der Phononenbus ist ein Schritt in diese Richtung.
- Die langsame Wellenleitergeschwindigkeit der akustischen Anregungen (
- Die kurze Wellenlänge der akustischen Anregungen (
- Die hohe Empfindlichkeit der Spin-Zustände gegenüber Gitterdeformationen (
- Die präzise Steuerung und Kopplung von Spin-Zuständen mit Schwingungsenergie
Quelle: „New quantum chip taps into weird quasiparticles to get qubits to communicate over long distances,“ Live Science.
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