Supraleitende Qubits – Bits der Quanteninformation – gelten weithin als vielversprechende Technologie, um die Quanteninformatik voranzubringen. Es bleibt jedoch noch viel zu tun, bevor sie aus einer Umgebung mit Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt herausgeholt werden können. Das Labor von Professor Hong Tang der Yale University hat kürzlich zwei Studien veröffentlicht, die diese Technologie voranbringen.
Unbegrenzte Qubit-Speicherkapazität
Um praktische Probleme zu lösen, benötigen Quantenprozessoren eine große Anzahl von Qubits – bis zu Tausenden oder Millionen. Eine derart große Anzahl von Qubits erfordert eine äußerst komplexe Verdrahtung und eine Möglichkeit, sie bei einer Temperatur zu speichern, die kälter ist als im Weltraum. Erschwerend kommt die physikalische Größe der kryogenen Geräte hinzu, die als Verdünnungskühlschränke bekannt sind und die Qubits bei einer Temperatur knapp über dem absoluten Nullpunkt halten. In einer neuen Studie hat Tangs Forschungsteam einen Weg gefunden, dieses Hindernis zu umgehen.
Eine flexible und kostengünstige Lösung besteht darin, ein Quantennetzwerk aufzubauen, indem man Qubits in separaten Kühlern miteinander verbindet. Die Verbindung von Qubits mit Standard-Koaxialkabeln würde jedoch nicht funktionieren, wenn diese Kabel bei Raumtemperatur aufbewahrt werden. Und sie alle in einem einzigen, sehr kalten Raum zu lagern, wäre nahezu unmöglich. Selbst unter der optimistischen Annahme von 1.000 Qubits pro Kühlschrank würde eine Skalierung auf 1 Million Qubits die Verbindung von 1.000 Kühlschränken erfordern – eine Anordnung, die in einem einzigen Raum physikalisch nicht realisierbar ist.
„Die meisten Quantencomputersysteme basieren auf supraleitenden Qubits, die in Verdünnungskühlern untergebracht sind, doch die Anzahl der Qubits, auf die man zugreifen oder die man steuern kann, ist begrenzt“, sagte Tang, Llewellyn W. Jones Jr.-Professor für Elektrotechnik, Informationstechnik und Physik. „Diese Begrenzung ergibt sich aus der Kühlleistung der einzelnen Kühler. Wir arbeiten daher daran, eine Verbindung zwischen den Kühlern herzustellen.“ Das ist jedoch nicht so einfach, wie es klingt. „Wenn man zwei Kühlschränke miteinander verbinden will, kann man ein Kabel verwenden, aber dieses Kabel muss gekühlt sein.“
Das heißt: Wenn das Kabel nicht auf einer Temperatur knapp über dem absoluten Nullpunkt gehalten wird, würden die aus Mikrowellenphotonen bestehenden Qubits ihren Quantenzustand verlieren, während sie von einem Kühlschrank zum nächsten übertragen werden. Befinden sich diese Kühlschränke jedoch an unterschiedlichen Orten – sagen wir einen Kilometer voneinander entfernt –, ist ein extrem kaltes Kabel nicht realisierbar.
Mikrowellen-Qubits über Glasfaser vernetzen
Deshalb entwickelten Tang und sein Team ein System, das die Mikrowellenphotonen in optische Photonen umwandelt, die in der Glasfasertechnik und anderen Anwendungen zum Einsatz kommen und keine extrem kalten Temperaturen erfordern. „Optischen Photonen ist es egal, wie hoch die Temperatur in ihrer Umgebung ist“, sagte Tang. „Sie können durch die Glasfaser wandern und an den entfernten Standort übertragen werden. Dort wandeln wir sie dann wieder in Mikrowellenphotonen um.“
Diese Umwandlung ist schwierig, da zwischen Mikrowellenphotonen und optischen Photonen ein großer Unterschied in den Energieniveaus besteht. Tangs Labor entwickelte eine Vorrichtung, die das optische Feld und das elektrische Feld gleichzeitig einengt, wodurch Licht und Mikrowellen stark aneinander gekoppelt werden.
„Die in Mikrowellenschaltungen kodierten Informationen können dann in optische Schaltungen übertragen werden, und man kann die Temperatur auf Raumtemperatur erhöhen und die optischen Schaltungen in einer Faser weiterleiten“, sagte Tang.
Qubits bauen, Schicht für Schicht
Für eine weitere Studie übernahmen Tang und sein Labor eine Technik aus der Halbleiterindustrie, die Atomlagenabscheidung (ALD), um Qubits für das Quantencomputing zu bauen. ALD ermöglicht es Herstellern, Materialien Atom für Atom aufzubauen. Am häufigsten wird es zur Herstellung immer kleinerer Computerchips verwendet. Tangs Labor hat jedoch gezeigt, dass es auch zur Erzeugung von Qubits genutzt werden kann.
Ähnlich wie bei einem 3D-Drucker werden die Qubits durch dieses Verfahren präzise und konsistent hergestellt. Da dabei die gleiche Ausrüstung zum Einsatz kommt, die auch in der Industrie verwendet wird, lässt sich das Verfahren problemlos kommerziell nutzen. Konkret nutzte das Tang-Labor die ALD-Methode, um ein Qubit aus zwei Schichten supraleitendem Niobnitrid herzustellen, die durch eine ultradünne Schicht aus Aluminiumnitrid voneinander getrennt sind. „Jede Schicht wächst durch sorgfältig kontrollierte chemische Reaktionen, wodurch die Dicke und Qualität der Struktur präzise definiert werden können“, sagte Danqing Wang, Doktorand und Hauptautor der Studie.
Die Art des verwendeten Materials ist entscheidend für den Erfolg ihrer Methode. Herkömmliche supraleitende Qubits verwenden Aluminium als Hauptelektroden, das eine kritische Temperatur von 1 K aufweist (das ist die Temperatur, bei der das Material supraleitend wird). Die von Tangs Labor verwendeten Nitride haben jedoch eine kritische Temperatur von etwa 13 K – immer noch kalt, aber deutlich wärmer als die Materialien auf Aluminiumbasis.
„So können wir sogar bei viel höheren Temperaturen arbeiten“, sagte Tang. „Das spart eine Menge Kosten, da die für die Speicherung der Qubits benötigten Geräte wesentlich kostengünstiger sind. Das bedeutet auch eine bessere Skalierbarkeit. Und da dieses Material mit Halbleiterfertigungsanlagen kompatibel ist, kann man eine groß angelegte Wafer-Fertigung aufbauen, anstatt dies in einem typischen Reinraum einer Universität zu tun.“
In Zukunft, so Wang, werde sich das Labor darauf konzentrieren, die Qualität des Materials zu verfeinern, um die Leistung der Qubits zu verbessern und den Betrieb bei höheren Temperaturen zu erforschen.
