Quantencomputer: noch Chancen für alternative Qubits?

„Die Resultate stellen einen wichtigen Schritt für diese Architektur dar. Sie zeigen Operationen mit hoher Güte auf einer für diese Plattform relativ großen Anzahl an Qubits. Die Resultate zeigen auch, dass es möglich ist, größere Register von Qubits zu realisieren. Die Skalierbarkeit könnte jedoch weiterhin eine Herausforderung darstellen, da dafür reproduzierbar und mit hoher Genauigkeit noch viel mehr Atom-Störstellen implantiert werden müssen.“

„Es gibt noch einige offene Fragen. Insbesondere wie gut die Reproduzierbarkeit des Platzierens der Atom-Defektstellen ist und wie sich die unterschiedliche Konnektivität auf Algorithmen auswirkt (gemeint ist, dass die verschiedenen Qubits nicht alle gleich zuverlässig miteinander verbunden werden können; wie sich das auf Rechenoperationen auswirkt, ist noch unklar; Anm. d. Red.). Ein nächster Schritt wäre hier zudem die Demonstration, dass mehr als zwei Register skalierbar kohärent miteinander verbunden werden können und damit erste Algorithmen oder Fehlerkorrektur-Methoden implementiert werden können.“

„Auch muss demonstriert werden, dass die beiden oft genannten Vorteile tatsächlich realisiert werden können: sehr kleine Abmessungen und Langlebigkeit der Qubits. Bei der Größe der Qubits ist noch unklar, wie nicht nur die Qubits selbst, sondern auch die zugehörige individuelle Qubit-Kontrolle auf engstem Raum untergebracht werden kann (gemeint ist Kontrollelektronik, mit der die Qubits etwa angesteuert oder ausgelesen werden können; Anm. d. Red.). In Bezug auf die langen Kohärenzzeiten im Millisekunden-Bereich muss beachtet werden, dass die Operationszeiten für Einzelqubit-Operationen von einigen 100 Mikrosekunden deutlich langsamer sind als insbesondere die von supraleitenden Qubits. Schnellere Gatteroperationen wären hier sicher vorteilhaft (Gatteroperationen: Durchführung einzelner Rechenschritte; Anm. d. Red.).“

„Ein Vorteil ist sicher die Größe der Register von nur ein paar Nanometern. Man darf aber nicht vergessen, dass die Kontrollleitungen ebenfalls Platz brauchen. Die im Manuskript berichteten Rechenoperation sind im Vergleich zu supraleitenden Qubits um den Faktor 100 bis 1000 langsamer. Das relativiert die hohen Kohärenzzeiten wieder etwas.“

„Die reproduzierbare Herstellung einer großen Anzahl von Qubit-Registern durch deterministische Implantation hat große Fortschritte gemacht (Methode, um gezielt einzelne Atome oder Ionen in Festkörper einzubringen; Anm. d. Red.). Es muss jedoch noch gezeigt werden, wie damit mehrere Hundert Qubits hergestellt und auch kontrolliert werden können. Wenn es gelingt, die Register effizient miteinander zu verschränken, könnte die hohe Konnektivität innerhalb eines Registers ein Vorteil sein.“

„Wir haben bis jetzt auf keiner Plattform einen klaren Quantenvorteil gesehen. Und es ist nicht klar, wann wir diesen erreichen werden. Trotz der großen Fortschritte, die im Feld bereits gemacht wurden. Es ist daher weiterhin notwendig, verschiedene Plattformen und verschiedene Ansätze innerhalb der Plattformen zu verfolgen – sofern klar deren Potenzial und Skalierbarkeit erkennbar sind.“

„Europa muss also einerseits einen Fokus auf existierende Plattformen setzen, um den Anschluss nicht zu verlieren und um die Herausforderungen bei der Skalierung zu verstehen und bewältigen zu können. Andererseits müssen vielsprechende alternative Plattform- und Qubit-Ansätze weiterentwickelt werden. Immer mit Blick auf Skalierungspotenzial kann so die nächste Generation an Quantenprozessoren und Schlüsselkomponenten realisiert werden. Mit dieser könnte Europa eine international führende Rolle einnehmen.“

„Wissenschaftlich hat die Arbeit höchste Qualität. Ich halte die konkreten Ergebnisse der Studie für zuverlässig und überzeugend. Sie stellen einen signifikanten Fortschritt für Qubits auf Basis von Silizium-Defektstellen dar. Und sie sind vergleichbar mit anderen defektbasierten Qubit-Plattformen wie zum Beispiel Stickstoff-Fehlstellen in Diamant. Letztere und verwandte Systeme haben allerdings den Vorteil, auch eine optische Ankopplung zu erlauben. Das erleichtert den Einsatz für potenzielle Quantenkommunikationsanwendungen (Quantenkommunikation beruht auf dem Austausch von Photonen, also Lichtteilchen; Anm. d. Red.).“

„Für die meisten Anwendungen von Quantencomputern sind voraussichtlich Systeme mit Millionen von Qubits erforderlich. In der Studie wurde eine beachtliche Vergrößerung der Qubit-Zahl realisiert, welche jedoch auf nur zwei Donatoren beruht (Teilchen, die relativ leicht ein Elektron abgeben; Anm. d. Red.). Diese koppeln an jeweils vier bis fünf weitere Kernspins. Die Anzahl der unabhängigen Einheiten ist also zur zwei.“

„Die große Herausforderung liegt nun darin, diese Zahl reproduzierbar zu vergrößern und gleichzeitig die gute Kontrolle der Qubits zu erhalten. Dies ist nicht zuletzt wegen der sehr geringen Kopplungsdistanzen zwischen Qubits nicht einfach. Grundsätzlich halte ich es für nicht unwahrscheinlich, dass neue und insbesondere halbleiterbasierte Plattformen die derzeit führenden überholen. Jedoch betrachte ich defektbasierte Ansätze nicht als die dafür am vielversprechendsten.“

„Ein Vorteil ist die gute Kompatibilität mit etablierter Siliziumtechnologie, wobei andere Halbleiterplattformen dieser noch näherkommen. Weiterhin haben die Qubits ausgezeichnete Kohärenzeigenschaften, die sogar etwas besser als die anderer Hableiteransätze sind. Die Herstellung defektbasierter Qubits ist jedoch sehr aufwendig: Beim hier betrachteten Ansatz müssen einzelne Atome platziert werden. Dies ist großtechnologisch noch nicht möglich und deutlich weniger für die Massenfabrikation geeignet als andere, auf konventioneller Lithographie beruhende Ansätze.“

„Insgesamt halte ich es für sehr sinnvoll, dass alle vielversprechenden Ansätze verfolgt werden, bis sich ein klarer Gewinner abzeichnet. Natürlich muss dabei sorgsam abgewogen werden, was wirklich vielversprechend ist. Ich bin selbst Anhänger einer Silizium-basierten ‚Nachzügler‘-Plattform.“

„Für die Erschließung eines signifikanten Anwendungspotenzials werden nach heutigem Kenntnisstand Millionen von Qubits benötigt. Derzeit realisiert sind jedoch nur Systeme mit einigen Hundert. Die notwendige Hochskalierung ist mit neuen Herausforderungen zur Kontrolle so vieler Qubits verbunden, insbesondere wenn dies kostengünstig erfolgen soll. Keine der bekannten Plattformen hat bislang einen klaren und konsensfähigen Weg aufgezeigt, wie dies geschehen soll.“

„Ich halte die Möglichkeiten Silizium- oder Germanium-basierter Qubits diesbezüglich für am überzeugendsten. Das könnte aber auch daran liegen, dass ich am meisten über diese nachgedacht habe. Weiterhin ist die Verfolgung von einer Anzahl n verschiedener Plattformen nicht mit n-fachen Kosten verbunden. Denn es gibt viele Synergien, zum Beispiel bei Charakterisierungsansätzen, Software und Anwendungen. Bei einer in den kommenden Jahren zu erwartenden natürlichen Konsolidierung wird es zudem vorteilhaft sein, dass viele gut ausgebildete Experten zur Verfügung stehen.“

„Bildlich gesprochen: Der Weg zu Quantencomputern ist wie ein Wettrennen über verschiedene Routen zu einer Goldmine an der Spitze eines wolkenverhangenen Berges. Einige Teilnehmende steuern auf eine Silbermine zu, die sie auf dem Weg erwarten. Einige mussten auf den ersten Metern große Hürden überwinden, kommen aber nun in leichtgängiges Terrain. Andere kamen zu Beginn schnell voran, finden sich aber nun vor einer Steilklippe wieder. Gelegentlich taucht einer am Rand der Klippe auf, sehr zur Überraschung der anderen. Daher ist das Anfangstempo des Fortschritts keine gute Vorhersage für den Erfolg. Vielmehr muss man durch die Wolken hindurchsehen, um die bevorstehenden Schwierigkeiten abwägen zu können.“

„In dieser Analogie hat die Wissenschaft den größten Einfluss, wenn sie einen Weg durch die steilsten Klippen findet.“

„Die aktuelle Studie stellt einen Meilenstein in der Erforschung und Weiterentwicklung von Quantencomputern auf Basis von Silizium dar.“

„Von mehreren möglichen Materialsystemen, mit denen Quantencomputer erforscht und gebaut werden, hat Silizium möglicherweise das größte Potenzial zur Miniaturisierung der Bauteile. Das bietet die Möglichkeit zur Skalierung auf leistungsfähige Rechner mit sehr vielen Bauteilen – analog zur konventionellen Mikroelektronik, die ebenfalls auf Silizium beruht.“

„Ziel dieser Entwicklung ist es, möglichst viele Qubits von möglichst hoher Qualität und mit möglichst präziser Verschaltung herzustellen. So können nützliche Berechnungen auf Quantencomputern ausgeführt werden, welche nicht mit konventionellen Rechnern möglich sind.“

„Der experimentelle Quantenprozessor besteht in der aktuellen Studie aus elf Qubits. Neun davon bestehen aus dem Spin, also dem Eigendrehimpuls, der Atomkerne von künstlich in den Silizium-Chip implantierten Phosphoratomen. Die zwei übrigen bestehen aus dem Spin zweier an die Phosphoratome gebundener Elektronen. Man spricht hierbei von Phosphor-Defektstellen, diese werden aber gezielt in das Silizium eingebracht.“

„Die Studie zeigt, dass alle elf Spin-Qubits paarweise miteinander verschaltet werden können. Außerdem zeigt sie, wie damit einfache Quantenrechnungen ausgeführt und komplexe Quantenzustände erzeugt werden können.“

„Die Präzision der einzelnen Quanten-Rechenoperationen muss weiter verbessert werden. Außerdem muss die Zahl der verfügbaren Qubits erhöht werden.“

„Sobald die Prozesse für die Herstellung elementarer Bauteile optimiert sind, können die Verfahren auf viele Bauteile auf demselben Silizium-Chip skaliert werden. Somit ist es realistisch, dass die Silizium-Qubits zu den etablierten Plattformen aufschließen oder diese sogar überholen: bezüglich Anzahl und Qualität sowie Taktfrequenz und Verschaltung der Qubits und bezüglich der Qualität der Rechenoperationen (mit etablierten Plattformen sind Supraleiter, Rydberg-Atome, Ionenfallen gemeint; Anm. d. Red.).“

„Die Herstellung der Phosphor-Defektstellen ist eine große Herausforderung, weil diese mit atomarer Präzision platziert werden müssen. Es gibt auch andere Silizium-basierte Plattformen, bei denen Elektronenspins in Quantenpunkten verwendet werden, die durch Metallkontakte gesteuert werden (Quantenpunkte sind Nanostrukturen in bestimmten Stoffen, die aufgrund ihrer Eigenschaften als Qubits genutzt werden können; Anm. d. Red.). Bei dieser Architektur tritt das Problem der atomaren Präzision nicht auf.“

„Entgegen einigen Ankündigungen von Forschern und Firmen befindet sich die Erforschung und Entwicklung der Quantentechnologie immer noch in einem relativ frühen Stadium. Man bedenke, dass die Entwicklung der konventionellen Siliziumtechnologie bis hin zu unseren Smartphones und künstlicher Intelligenz (KI) über 50 Jahre gedauert hat.“

„In diesem Stadium ist es meines Erachtens richtig, verschiedene Optionen und mögliche Plattformen zu untersuchen. Bis sich eine herausragende Technologie herausbildet – was bisher noch nicht geschehen ist. Die Forschung führt außerdem zu vielen weiteren wissenschaftlichen und technologischen Ergebnissen, welche für die Gesellschaft als Ganzes wertvoll sind.“