SiQuBus

Der Quantencomputer hat potenziell immense Vorteile gegenüber einer konventionellen Rechnerarchitektur. Insbesondere im Bereich der Mustererkennung, dem maschinellen Lernen oder auch der Lösung von Optimierungsprobleme. Quantencomputer könnten in Zukunft bei derartigen Aufgaben mehrere Größenordnungen schneller sein als ihre klassischen Pendants.

Durch Ausnutzung von grundlegenden quantenmechanischen Konzepten wie Quanten-Superposition und -Verschränkung können Quantencomputer bestimmte Probleme lösen, die zu komplex für klassische Computer sind. Für diese Anwendungen müssen Quanten-Informationen redundant gespeichert werden, um Quanten-Fehlerkorrektur durchführen zu können. Konkret muss ein logisches Qubit, das Grundelement eines Quantencomputers, durch viele imperfekte physikalische Qubits repräsentiert werden. Ein vielversprechendes System sind Elektronenspin-Qubits in Silizium, weil sie vergleichsweise stabile Quanteneigenschaften aufweisen und weitestgehend kompatibel mit der Herstellung von Silizium-Prozessoren sind. Um auf diesem Wege tatsächlich einen überlegenden Quantencomputer zu realisieren, ist allerdings noch viel Forschungsarbeit zu leisten.

Ein fehlender Baustein für eine skalierbare Quantencomputerarchitektur ist die kohärente Übertragung von Quanteninformation auf einer Distanz von ca. 10 Mikrometern. Ein solcher Quantenbus (QuBus) schafft Raum für elektrische Zuleitungen und gegebenenfalls klassische Kontrollelektronik auf einem Computer-Chip. Im QuBus wird die Quanteninformation übertragen, indem ein Elektron, in dessen Spin die Qubit-Information kodiert ist, kontrolliert über eine solche Distanz transportiert wird. Der QuBus besteht aus einer Reihe von metallischen Gattern auf einem Siliziumchip, die zum einem das Elektron in einem Quantenpunkt einfangen, aber auch durch Änderung des Potentials kontrolliert bewegen. Für die Skalierbarkeit wichtig ist, dass der QuBus unabhängig von seiner Länge nur vier elektrische Zuleitungen benötigt. Dieses komplexe Bauteil wird im SiQuBus-Projekt untersucht, um letztlich ein QuBit zu transportieren ohne dessen Quanteneigenschaften zu zerstören.

Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem Quantencomputer, der auch wirklich seinen klassischen Pendants gegenüber überlegen ist. Erste Anwendungen könnten dann die Simulation von Molekülen und damit beispielsweise eine viel effizientere Medikamentenherstellung oder auch die Optimierung von Verkehrsflüssen in überlasteten Innenstädten sein.