Quantencomputer-Architektur auf Basis von Standard-Silizium-Technologie

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Eine Neuinterpretation heutiger Computerchips durch australische und niederländische Ingenieure zeigt, wie ein Quantencomputer hauptsächlich durch die Verwendung von Silizium-CMOS-Technologie hergestellt werden kann. Macht das neue Design Quantencomputer skalierbar?

Weltweit erforschen Wissenschaftler verschiedene Wege, um Computer und Quantenphysik zu vereinen. Der Bau eines universellen Quantencomputers wird auch als „Weltraumrennen des 21. Jahrhunderts“ bezeichnet.

Ingenieure der University of New South Wales (UNSW) in Sydney glauben jetzt, dass sie der Zielgeraden ein gutes Stück näher gekommen sind. In der Zeitschrift Nature Communications stellen die Wissenschaftler eine neuartige Architektur vor, die es erlaubt, Quantenberechnungen auf Basis moderner Chips, nämlich komplementärer Metalloxid-Halbleiter-Technologie (CMOS), durchzuführen.

Es gibt mindestens fünf große Quantencomputing-Ansätze, die weltweit erforscht werden: Silizium-Spin-Qubits, Ionenfallen, supraleitende Schleifen, Diamantenvakanzen und topologische Qubits. Das Hauptproblem bei all diesen Ansätzen ist die Skalierbarkeit auf die benötigte Anzahl von Qubits.

Das neue Chip-Design wurde von Andrew Dzurak, Direktor der Australian National Fabrication Facility an der UNSW, und Dr. Menno Veldhorst, ehemaliger Research Fellow der UNSW und mittlerweile Teamleiter bei QuTech, konzipiert und basiert auf Silizium-Spin-Qubits. Silizium-CMOS-integrierte Schaltungen (ICs) sind das prototypische Beispiel für skalierbare elektronische Plattformen, die heute Transistorzahlen von mehr als einer Milliarde aufweisen. Dieser enorme Integrationsgrad basiert auf jahrzehntelangen Fortschritten in der Silizium-Materialtechnologie.

„Wir denken oft, dass die Landung auf dem Mond das größte technologische Wunderwerk der Menschheit ist“, sagt Dzurak, der auch Programmleiter am Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) in Australien ist. „Aber einen Mikroprozessorchip mit einer Milliarde von integrierten Bauelementen zu schaffen, der wie eine Symphonie funktioniert – und die man in der Tasche tragen kann – ist eine bemerkenswerte technische Errungenschaft, die das moderne Leben revolutioniert hat.“

„Mit Quantencomputern stehen wir vor einem weiteren technologischen Sprung, der ebenso tief und transformativ sein könnte. Aber ein vollständiges technisches Design, um dies auf einem einzigen Chip zu realisieren, war bisher nicht vorhanden. Ich denke, was wir bei UNSW entwickelt haben, macht das jetzt möglich. Und das Wichtigste ist, dass es in einer modernen Halbleiterfabrik hergestellt werden kann“, ergänzt Dzurak. Ziel des neuen Designs ist es, Millionen von Qubits zusammenzupacken und so zu integrieren, wie es bei modernen Mikroprozessoren der Fall ist.

Das Design beinhaltet konventionelle Silizium-Transistoren, die in einem riesigen zweidimensionalen Array zwischen den Qubits schalten, indem sie ein rasterbasiertes „word“ und „bit“ Auswahlprotokoll, ähnlich dem konventioneller Computer-Speicherchips, verwenden. Leider kann diese Methode nicht direkt zur Skalierung von Qubit-Arrays verwendet werden. Im Gegensatz zu Transistoren sind die Toleranzen der Qubits klein und erfordern daher eine individuelle Abstimmbarkeit.

Durch die Auswahl der Elektroden über einem Qubit, können dir Forscher den Spin eines Qubits steuern, der den Quanten-Binärcode von 0 oder 1 speichert. Und durch die Auswahl der Elektroden zwischen den Qubits können logische Interaktionen oder Berechnungen zwischen den Qubits durchgeführt werden.

Ein Qubit kann eine 0, eine 1 oder eine beliebige Kombination aus 0 und 1 gleichzeitig speichern. Und so wie ein Quantencomputer mehrere Werte auf einmal speichern kann, so kann er sie gleichzeitig verarbeiten und mehrere Operationen gleichzeitig ausführen.

Dies könnte es einem universellen Quantencomputer ermöglichen, eine Reihe wichtiger Probleme millionenfach schneller zu lösen als jeder herkömmliche Computer. Aber um komplexe Probleme zu lösen, benötigt ein brauchbarer universeller Quantencomputer eine große Anzahl von Qubits, möglicherweise Millionen. Jedoch sind alle Arten von Qubits sind fragil und selbst winzige Fehler können schnell zu falschen Antworten verstärkt werden.

„Deshalb müssen wir Fehlerkorrekturcodes verwenden, die mehrere Qubits verwenden, um ein einzelnes Datenstück zu speichern“, sagt Dzurak. „Unser Chip-Design beinhaltet eine neue Art von Fehlerkorrektur-Code, der speziell für Spin-Qubits entwickelt wurde und umfasst ein ausgeklügeltes Protokoll von Operationen auf Millionen von Qubits. Es ist der erste Versuch, alle herkömmlichen Siliziumschaltungen, die für die Steuerung und das Lesen der Millionen von Qubits, die für das Quanten-Computing benötigt werden, in einem einzigen Chip zu integrieren".

Erst vor zwei Jahren zeigten Dzurak und Veldhorst in einem Artikel in Nature, wie Quantenlogik-Berechnungen in einem realen Silizium-Bauelement durchgeführt werden können, indem sie ein Zwei-Qubit-Logikgatter schufen. „Das waren die ersten Weichenstellungen, die ersten Demonstrationen, wie man dieses radikale Quantencomputing-Konzept in ein praktisches Gerät mit Komponenten verwandeln kann, die allen modernen Computern zugrunde liegen“, sagte Mark Hoffman, Dekan der UNSW.

„Wir haben Elemente dieses Designs im Labor getestet, mit sehr positiven Ergebnissen. Wir müssen nur weiter darauf aufbauen – was immer noch eine riesige Herausforderung ist, aber die Grundlagen sind vorhanden, und es ist sehr ermutigend. Es wird immer noch großer Ingenieurskunst bedürfen, um Quantencomputer in die kommerzielle Realität zu bringen“, fügte er hinzu.

Originalveröffentlichung:
M. Veldhorst et al.: Silicon CMOS architecture for a spin-based quantum computer. Nature Communications, 2017; 8 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-01905-6

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