Quantencomputer: Welche Qubits und Schaltungen machen das Rennen?

Das Rennen um die Entwicklung des ersten wirklich brauchbaren Quantencomputers geht weiter, denn er verspricht eine phänomenale Beschleunigung der Rechenleistung im Vergleich zu aktuellen Computern. Zu diesem Zweck entwerfen Forschungsgruppen aus der ganzen Welt die Qubits, die Schaltkreise und die Kryogenik, die erforderlich sind, um Quantencomputer Wirklichkeit werden zu lassen. Obwohl die ersten Quantencomputer bereits in Googles 53-Qubit-Maschine aufgetaucht sind, ist das volle Potenzial des Quantencomputers noch nicht ausgeschöpft.

Es gibt noch viele Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt, darunter das Erreichen stabiler Qubits bei hohen Volumina, der Aufbau der Steuerschaltkreise um diese Qubits herum und das Funktionieren aller Teile bei nahezu absoluten Nulltemperaturen. Imec trägt zu diesen Bemühungen bei, indem es Technologien für das Quanten-Computing mit Halbleiter- und Supraleiter-basierten Qubits und den Entwurf maßgeschneiderter Schaltungen, die an Kryotemperaturen angepasst sind, ermöglicht.

Die Quantenaktivitäten am belgischen Forschungsinstitut konzentrieren sich laut Iuliana Radu, Programmdirektorin für Quanten- und Explorationscomputing, darauf, Qubit-Fertigung in großem Maßstab sowie Leistungsverbesserungen und Reduzierung der Qubit-Variabilität zu ermöglichen. Darüber hinaus arbeitet Imec an der entsprechenden Kryoelektronik, der 3D-Integration und dem 3D-Packaging für Kryokomponenten.

Variabilität von Qubits bewältigen

Eine wichtige Voraussetzung für den Bau eines nützlichen Quantencomputers ist, dass genügend stabile Qubits zusammen arbeiten. Für die vielversprechendsten Anwendungen sind Millionen von hochwertigen Qubits notwendig. Während das Ziel darin besteht, einheitliche Qubits zu haben, die mit hoher Genauigkeit funktionieren, weisen Qubits im Moment eine große Variabilität auf, so dass viele benötigt werden, um die Fehlererzeugung zu kompensieren. Durch die Verlagerung der Herstellung der Qubits auf eine 300-mm-Fab kann Imec die erhöhte Präzision bieten, die für bestimmte Prozessschritte erforderlich ist, um eine verbesserte Standardisierung und Einheitlichkeit zu erreichen.

Supraleitende und halbleitende Qubits

Imec arbeitet an zwei Arten von Qubits: halbleitende und supraleitende Qubits. Beide sind mit der CMOS-Fertigung und der Kointegration in klassische Schaltungen kompatibel. „Wir haben die ersten Qubit-Demonstrationen von beiden Plattformen und konzentrieren uns jetzt auf die Verbesserung der Leistung und die Verringerung der Variabilität“, sagte Iuliana Radu.

Die heutigen Demonstratoren, wie der Quantencomputer von Google, laufen mit supraleitenden Qubits. Diese lassen sich leichter herstellen und bisher ist ihre Variabilität geringer. Sie lassen sich auch sehr leicht von einem Qubit zum nächsten verschränken. Allerdings sind supraleitende Bauelemente groß – in der Größenordnung von Quadratmillimetern. Infolgedessen sind sie weniger gut in Systeme integrierbar, die mit Millionen von Qubits arbeiten.

Das Silizium-28-Isotop enthält keine Elektronenspins und erhöht dadurch die Koheränzzeit der Qubits. Imec

Halbleiter-Spin-Qubits in Silizium hingegen sind sehr klein, komplizierter herzustellen und weisen typischerweise eine höhere Variabilität auf. Positiv zu vermerken ist, dass sie Skalierungspotenzial haben. Die Halbleiter-Qubits könnten daher die beste Option sein, vorausgesetzt es gibt einen Weg,  ihre Variabilität zu kontrollieren. Wenn dies nicht möglich ist, müssen sich die Forscher intelligente Wege zur Skalierung supraleitender Qubits überlegen. Laut Radu wird irgendwann einer der Qubit-Typen hervorstechen, aber im Moment ist noch unklar, welcher das sein wird.

Einfache Silizium-Qubits

Die Industrie sucht nach ausgereiften und skalierbaren Qubit-Technologien. Genau darauf konzentriert sich Nard Dumoulin Stuyck, Doktorand in der Quantenbauelemente-Gruppe am Imec. Silizium und Siliziumdioxid haben in diesem Sinne eine Reihe spezifischer Vorteile. Sie sind beispielsweise mit der aktuellen Chip-Technologie kompatibel, so dass hier viel Erfahrung und etablierte Prozesse nutzbar sind. Außerdem hat Silizium einen intrinsischen Vorteil im Vergleich zu anderen üblicherweise verwendeten Materialien wie III/V-Halbleitern. Während III/V-Materialien Kernspins enthalten, die mit dem Elektronenspin des Qubits reagieren, haben Silizium und Siliziumdioxid keinen Kernspin und lassen sich daher leichter kontrollieren.

Qubits ansteuern: ein Weg mit vielen Hindernissen

Beispiel für einen Kontroll-Schaltkreis für Halbleiter-Qubits: Ein Stack aus drei Gates mit zwei Quantum-Dots nimmt Qubits auf. Imec

Im Gegensatz zu Transistoren, bei denen Millionen von ihnen praktisch identisch sind, weisen Qubits große Variationen auf, wobei sich jedes deutlich vom nächsten unterscheidet. Das bedeutet, dass beim Bau eines Quantencomputers für jedes Qubit eine eigene Antriebs- und Ausleseschaltung notwendig ist, was zu einem explosionsartigen Wachstum der Anzahl der Peripherieelemente führt. Dies ist heute tatsächlich einer der Hauptbegrenzer und wahrscheinlich der Grund dafür, dass die Quantencomputer von Google und IBM nur 53 Qubits haben.

Eine weitere Herausforderung stellt die Temperatur dar. Da Qubits bei Raumtemperatur nicht kontrollierbar sind, müssen sie auf fast den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt werden. Um diese extrem niedrigen Temperaturen zu erreichen, ist eine kryogenische Aufbewahrung notwendig und jede Treiberschaltung muss auch bei diesen extrem niedrigen Temperaturen auf engstem Raum in einem Kühlschrank arbeiten. Laut Radu zeigen Gerätemodule und Transistoren bei Temperaturen zwischen 10 und 100 mK unterschiedliche Eigenschaften. Außerdem nimmt jede Metallleitung im Kühlschrank wertvollen Platz ein und bringt Wärme und Lärm mit sich, was die Qubits stört. Das Imec charakterisiert und modelliert die Bauelemente, um die Physik dahinter zu verstehen, und entwirft darauf aufbauend die Transistorbauelemente für diese Extrembedingungen.

Schritt für Schritt und Qubit für Qubit

Aktuelle Arbeiten der Forscher beschäftigen sich mit supraleitenden Qubits, die einen kürzeren Fertigungsablauf haben und sich daher leichter optimieren lassen. Zum Vergleich: Für die Herstellung supraleitender Qubits sind etwa 60 Prozessschritte in der Fab erforderlich, für die Herstellung der halbleitenden Spin-Qubits sind dies 250 bis 300 Schritte. Laut Radu ist in diesem Stadium der Arbeiten jedoch nichts einfach. Es ist eine Frage der Forschung, die Probleme abzumildern. Ziel der Arbeiten ist die Optimierung der Qubits und Quantenschaltungen innerhalb der nächsten drei bis vier Jahre. Danach ist nach derzeitigem Stand eine erhöhte Qubit-Leistung und die Demonstration logischer Qubits zu erwarten.