Kernstück für einen skalierbaren Quantencomputer

Physik-News vom 22.09.2022


Millionen von Quantenbits sind nötig, damit Quantencomputer sich in der Praxis als nützlich erweisen, die sogenannte Skalierbarkeit gilt als eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung. Ein Problem: Die Qubits müssen auf dem Chip sehr nahe beieinander liegen, um sie miteinander zu koppeln. Forschende des Forschungszentrums Jülich und der RWTH Aachen sind einer Lösung nun einen bedeutenden Schritt nähergekommen. Ihnen gelang es, Elektronen, die Träger der Quanteninformation, über mehrere Mikrometer auf einem Quantenchip zu übertragen. Ihr „Quantenbus“ könnte das entscheidende Puzzleteil sein, um den Sprung zu Millionen Qubits zu meistern.

Quantencomputer versprechen eine bislang unerreichte Rechenleistung. Doch bis sie helfen können, reale Aufgaben zu lösen, ist es noch ein weiter Weg. Viele Anwendungen setzen Quantenprozessoren mit Millionen von Quantenbits voraus. Aktuelle Prototypen verfügen gerade einmal über einige wenige dieser Recheneinheiten.


Halbleiter-Quantenchip mit Quantenbus der JARA-Kooperation des Forschungszentrums Jülich und der RWTH Aachen University

Publikation:


Seidler, I., Struck, T., Xue, R., Focke N. et al.
Conveyor-mode single-electron shuttling in Si/SiGe for a scalable quantum computing architecture
npj Quantum Inf (2022)

DOI: 10.1038/s41534-022-00615-2



„Aktuell ist jedes einzelne Qubit über mehrere Signalleitungen mit schrankgroßen Steuer- und Kontrolleinheiten verbunden. Bei einigen wenigen Qubits geht das noch. Aber es funktioniert nicht mehr, wenn man Millionen Qubits auf dem Chip verbauen möchte. Denn das ist für Quantenfehler-korrektur notwendig“, erklärt Dr. Lars Schreiber vom JARA-Institut für Quanteninformation des Forschungszentrums Jülich und der RWTH Aachen.

Dr. Lars Schreiber (2.v.l.) und Prof. Dr. Hendrik Bluhm (1.v.r.) mit den Doktoranden Tom Struck (1.v.l.) und Niels Focke (2.v.r.) vom JARA-Institut für Quanteninformation (PGI-11)

Die Anzahl der Signalleitungen wird irgendwann zum Flaschenhals. Sie benötigen im Vergleich zur Größe der Qubits zu viel Platz. Und ein Quanten-Chip kann nicht Millionen von Ein- und Ausgängen haben – ein moderner klassischer Chip besitzt nur ungefähr 2000. Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen am Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen forscht Schreiber bereits seit einigen Jahren an einer Lösung, um dieses Problem zu lösen.

Ziel ist es, Teile der Steuerelektronik direkt auf dem Chip zu integrieren. Der Ansatz basiert auf sogenannten Halbleiter-Spin-Qubits aus Silizium und Germanium. Diese sind vergleichsweise winzig. Die Fertigungsprozesse entsprechen größtenteils denen von herkömmlichen Silizium-Prozessoren. Dies gilt als vorteilhaft, wenn es darum geht, sehr viele Qubits zu realisieren. Doch zunächst müssen einige grundlegende Hindernisse überwunden werden.

Schreiber weiter: „Um die Qubits zu koppeln, müssen sie momentan sehr dicht nebeneinandergesetzt werden. Für zusätzliche Steuerelektronik, die wir dort unterbringen wollen, ist dann schlicht kein Platz. Um die Qubits auseinanderzurücken, verfolgt das JARA Institut für Quanteninformation (IQI) die Entwicklung eines Quanten-Shuttles. Dieses soll helfen, Quanteninformationen zwischen den Qubits über größere Distanzen auszutauschen. Seit fünf Jahren arbeiten die Forscherinnen und Forscher an dem „Quantenbus“, über 10 Patente haben sie dazu bereits eingereicht. Die Arbeit begann im Rahmen des europäischen QuantERA-Konsortiums Si-QuBus und wird nun national im BMBF-Projekt QUASAR unter industrieller Beteiligung fortgeführt.

„Etwa 10 Mikrometer gilt es von einem Qubit zum nächsten zu überbrücken. Mit einer solchen Architektur wären der Theorie nach dann Millionen von Qubits möglich. Dies haben wir in Zusammenarbeit mit den Schaltungsingenieuren des Zentralinstituts für Engineering, Elektronik und Analytik am Forschungszentrum Jülich kürzlich prognostiziert“, erläutert IQI-Institutsleiter Prof. Hendrik Bluhm. Auch Forschende der TU Delft und von Intel kamen bereits zu diesem Ergebnis.

Ein wichtiger Schritt ist Lars Schreiber und seiner Arbeitsgruppe nun geglückt. Ihnen gelang es, ein Elektron 5000-mal über eine Distanz von 560 Nanometer ohne nennenswerte Fehler zu transportieren. Das entspricht einer zurückgelegten Distanz von 2,8 Millimeter. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift npj Quantum Information vorgestellt.

„Surfende Elektronen“

Eine wesentliche Neuerung: Die Elektronen werden mittels vier einfachen Steuersignalen angetrieben, die – im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen – auch über längere Distanzen nicht komplizierter werden. Das ist wichtig, da sonst eine entsprechend aufwändige Steuerelektronik fällig wird, die zu viel Platz einnimmt oder sich gar nicht mehr auf dem Chip integrieren lässt.

Dahinter steckt eine neue Art und Weise, wie Elektronen transportiert werden. „Bisher hat man versucht, die Elektronen gezielt um einzelne Störungen auf ihrem Weg herum zu lenken. Oder man erzeugte eine Reihe von sogenannten Quantenpunkten und ließ die Elektronen von einem dieser Punkte zum nächsten hüpfen. Beides erfordert eine genaue Signalanpassung, die sehr aufwändig ist“, erklärt Lars Schreiber. „Wir erzeugen dagegen eine Potentialwelle, auf der die Elektronen über verschiedene Störquellen einfach hinweg surfen. Für eine solche einheitliche Welle braucht man nur noch wenige Steuerungssignale, vier Sinuspulse reichen dazu schon aus.“

Im nächsten Schritt wollen die Physikerinnen und Physiker nun zeigen, dass die Qubit-Information, die im Elektron-Spin kodiert ist, nicht beim Transport verloren geht. Theoretische Berechnungen haben bereits gezeigt, dass dies in bestimmten Geschwindigkeitsbereichen in Silizium funktioniert. Der Quantenbus ebnet damit den Weg zu einer skalierbaren Quantencomputer-Architektur, die auch noch mit mehreren Millionen Qubits funktioniert.


Die News der letzten 14 Tage 11 Meldungen

28.11.2022
Elektrodynamik | Festkörperphysik
Wie man Materialien durchschießt, ohne etwas kaputt zu machen
Wenn man geladene Teilchen durch ultradünne Materialschichten schießt, entstehen manchmal spektakuläre Mikro-Explosionen, manchmal bleibt das Material fast unversehrt.
25.11.2022
Sonnensysteme | Astrophysik
Im dynamischen Netz der Sonnenkorona
In der mittleren Korona der Sonne entdeckt ein Forscherteam netzartige, dynamische Plasmastrukturen – und einen wichtigen Hinweis auf den Antrieb des Sonnenwindes.
25.11.2022
Exoplaneten | Astrophysik
Rätselraten um einen jungen Exo-Gasriesen
Eine Foschergruppe hat einen Super-Jupiter um den sonnenähnlichen Stern HD 114082 entdeckt, der mit einem Alter von 15 Millionen Jahren der jüngste Exoplanet seiner Art ist.
24.11.2022
Teilchenphysik | Festkörperphysik | Quantenphysik
Spin-Korrelation zwischen gepaarten Elektronen nachgewiesen
Physiker haben erstmals experimentell belegt, dass es eine negative Korrelation gibt zwischen den beiden Spins eines verschränkten Elektronenpaares aus einem Supraleiter.
23.11.2022
Festkörperphysik | Quantenoptik
Lichtstrahlen beim Erlöschen zusehen
Ein Forschungsteam konnte erstmals messen, wie das Licht eines Leuchtzentrums in einem Nanodraht nach dessen Anregung durch einen Röntgenpuls abklingt.
22.11.2022
Exoplaneten | Teleskope
Weltraumteleskop JWST: Neues von den Atmospären von Exoplaneten
Beobachtungen des Exoplaneten WASP-39b mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) haben eine Fülle von Informationen über die Atmosphäre des Planeten geliefert.
21.11.2022
Galaxien | Schwarze Löcher | Teleskope
Schärfster Blick in den Kern eines Quasars
Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern präsentiert neue Beobachtungen des ersten jemals identifizierten Quasars.
22.11.2022
Festkörperphysik | Physikdidaktik
Chemielehrbücher: Es gibt keine Kohlensäure - Falsch!
Die Existenz von Kohlensäure war in der Wissenschaft lange umstritten: theoretisch existent, praktisch kaum nachweisbar, denn an der Erdoberfläche zerfällt die Verbindung.
21.11.2022
Quantenphysik
Ein Quant als Winkel
Die Feinstrukturkonstante ist eine der wichtigsten Naturkonstanten überhaupt: In Wien fand man nun eine bemerkenswerte neue Art, sie zu messen – nämlich als Drehwinkel.
21.11.2022
Akustik | Quantenoptik
Akustische Quantentechnologie: Lichtquanten mit Höchstgeschwindigkeit sortiert
Einem deutsch-spanischen Forscherteam ist es gelungen einzelne Lichtquanten mit höchster Präzision zu kontrollieren.

01.07.2020
Sterne | Teilchenphysik

Doppelstern als kosmischer Teilchenbeschleuniger
Mit einem Spezialteleskop in Namibia hat ein DESY-geführtes Forscherteam einen besonderen Doppelstern als neue Quelle für sehr energiereiche kosmische Gammastrahlung nachgewiesen: Eta Carinae liegt 7500 Lichtjahre entfernt im Sternbild Schiffskiel (Carina) am Südhimmel und erzeugt den Messungen zufolge Gammastrahlung bis zu einer Energie von 400 Gigaelektronenvolt (GeV) – rund 100 Milliarden Mal mehr als die Energie von sichtbarem Licht.
21.12.2018
Teilchenphysik

Beschreibung rotierender Moleküle leicht gemacht
Interdisziplinäres Wissenschaftlerteam entwickelt neue numerische Technik zur Beschreibung von Molekülen in Flüssigkeiten.
03.08.2017
Quantenoptik | Teilchenphysik

Mit Quantencomputern komplexe chemische Prozesse aufklären
Wissenschaft und Computerindustrie setzen grosse Hoffnungen auf Quantencomputer, mögliche Anwendungen beschreiben sie aber meist nur vage.
15.07.2019
Teilchenphysik | Festkörperphysik

Beschleunigerphysik: Alternatives Material für supraleitende Hochfrequenzkavitäten getestet
Supraleitende Hochfrequenzkavitäten können Elektronenpakete in modernen Synchrotronquellen und Freien Elektronenlasern mit extrem hoher Energie ausstatten.
07.04.2021
Teilchenphysik

Handfeste Hinweise auf neue Physik
Das Fermilab (USA) hat heute erste Daten aus dem Myon g-2 Experiment veröffentlicht, welche die Messwerte des gleichnamigen, 2001 durchgeführten Experiments am Brookhaven National Laboratory bestätigen.
17.06.2020
Supernovae | Teilchenphysik

Supernovae bringen Licht in dunkle Materie
Explosionen von Sternen – sogenannte Supernovae – können Licht in die Erforschung dunkler Materie bringen.
09.07.2018
Teilchenphysik

Wie sich einzelne Atome mit Elektronenstrahl steuern lassen
Forscher kontrollieren Siliziumbewegung in Graphen.
29.08.2018
Plasmaphysik | Teilchenphysik

Erfolg für Teilchenbeschleuniger der Zukunft: Elektronen reiten Plasmawelle
Physikern könnte sich bald eine neue Tür zu den Geheimnissen des Universums öffnen.
12.10.2022
Teilchenphysik | Festkörperphysik

Attosekunden-Stoppuhr für Kristalle
Physiker:innen vermessen die Dynamik beweglicher Elektronen in Festkörpern mit noch nie erreichter Zeitauflösung.
24.04.2015
Astrophysik | Teilchenphysik

Erste Anzeichen von selbstwechselwirkender Dunkler Materie
Zum ersten Mal könnte Dunkle Materie dabei beobachtet worden sein anders als nur über ihre Schwerkraft mit anderer Dunkler Materie in Wechselwirkung zu treten.
27.10.2020
Quantenoptik | Teilchenphysik

Rotation eines Moleküls als „innere Uhr“
Mit einer neuen Methode haben Physiker des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik die ultraschnelle Fragmentation von Wasserstoffmolekülen in intensiven Laserfeldern detailliert untersucht.
17.12.2018
Teilchenphysik | Thermodynamik

Beim Phasenübergang benutzen die Elektronen den Zebrastreifen
Dass Materie in drei verschiedenen Aggregatzuständen oder Phasen vorkommt (fest, flüssig und gasförmig), wissen wir aus der Schulzeit.
30.07.2018
Astrophysik | Teilchenphysik

26AlF – die erste Entdeckung eines radioaktiven Moleküls im Weltraum
Der erste eindeutige Nachweis eines radioaktiven Moleküls, 26AlF, im Weltraum, ist in der direkten Umgebung des historischen Nova-ähnlichen Objekts CK Vul gelungen, bei dem es sich höchstwahrscheinlich um den Überrest der Kollision zweier Sterne handelt.
21.03.2018
Teilchenphysik

Extrem seltener Kaon-Zerfall weckt Hoffnungen auf neue Physik
Neues Experiment am CERN zeigt erste Ergebnisse – Wissenschaftler hoffen auf weitere Datenauswertung für die Suche nach neuer Physik.
16.04.2018
Teilchenphysik

Freigesetzt lassen sich Elektronen besser fangen
Forscher der UNIGE und des MBI in Berlin haben erstmalig ein Elektron in einen Doppelzustand versetzt, in dem es weder ganz frei, noch an den Atomkern gebunden ist.
25.01.2021
Optik | Teilchenphysik

Aus Weiß wird (Extrem)-Ultraviolett
Forscher des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) haben eine neue Methode entwickelt, um die spektrale Breite von extrem-ultraviolettem (XUV) Licht zu modifizieren.
28.11.2019
Teilchenphysik

KATRIN-Experiment begrenzt die Masse von Neutrinos auf unter 1 Elektronenvolt
Neutrinos spielen durch ihre kleine, aber von Null verschiedene Masse eine Schlüsselrolle in Kosmologie und Teilchenphysik.
30.04.2020
Teilchenphysik

Gravitationswellen könnten Existenz des Quark-Gluon-Plasmas beweisen
Computermodell verschmelzender Neutronensterne sagt voraus, wie dies erkannt werden kann.
21.12.2020
Elektrodynamik | Teilchenphysik

Kartierung eines kurzlebigen Atoms
Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden, Russland und den USA unter der Leitung von Wissenschaftern des European XFEL hat Ergebnisse eines Experiments veröffentlicht, das neue Möglichkeiten zur Untersuchung von Übergangszuständen in Atomen und Molekülen eröffnet.
23.05.2019
Teilchenphysik | Quantenphysik

Geometrie eines Elektrons erstmals bestimmt
Physiker am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) konnten riesige zweiatomige Moleküle erzeugen und mit einem hochaufgelösten Mikroskop direkt abbilden.
18.02.2021
Quantenphysik | Teilchenphysik

Mit schwingenden Molekülen die Welleneigenschaften von Materie überprüfen
Forschende haben mit einem neuartigen, hochpräzisen laser-spektroskopischen Experiment die innere Schwingung des einfachsten Moleküls vermessen.
03.09.2019
Teilchenphysik | Quantenphysik

Ein neues Alphabet zum Schreiben und Lesen von Quantennachrichten mit sehr schnellen Teilchen
Quanteninformation beruht auf der Möglichkeit, Nachrichten in ein Quantenteilchen zu schreiben und zuverlässig auszulesen.
07.02.2019
Teilchenphysik | Quantenoptik

Ultrakurzzeit-Experimente im Schnelldurchlauf
Eine internationale Gruppe von Forscherinnen und Forschern unter Beteiligung des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt sowie seiner beiden Außenstellen, den Helmholtz-Instituten Mainz und Jena, hat die ersten Ionisierungsenergien der künstlich erzeugten Elemente Fermium, Mendelevium, Nobelium und Lawrencium bestimmt.
08.11.2021
Teilchenphysik

Neue Einblicke in die Struktur des Neutrons
Sämtliche bekannte Atomkerne und damit fast die gesamte sichtbare Materie bestehen aus Protonen und Neutronen – und doch sind viele Eigenschaften dieser allgegenwärtigen Bausteine der Natur noch nicht verstanden.
20.01.2021
Quantenphysik | Teilchenphysik

Einzelnes Ion durch ein Bose-Einstein-Kondensat gelotst.
Transportprozesse in Materie geben immer noch viele Rätsel auf.
16.08.2021
Elektrodynamik | Teilchenphysik

Wie sich Ionen ihre Elektronen zurückholen
Was passiert, wenn Ionen durch feste Materialien geschossen werden?
14.07.2022
Astrophysik | Teilchenphysik

Neutrinofabriken in den Tiefen des Weltraums
Neutrinos, die unseren Planeten aus den Tiefen des Universums erreichen, stammen von Blazaren.
30.06.2017
Teilchenphysik

Atomen beim Wettstreit um Bindungen zugeschaut
Auf atomarer Ebene beobachten Innsbrucker Physiker und Chemiker um Roland Wester im Labor komplexe chemische Reaktionen.
16.10.2020
Quantenoptik | Teilchenphysik

Zepto-Sekunden: Neuer Weltrekord in Kurzzeit-Messung
Im weltweiten Wettlauf um die Messung der kürzesten Zeitspanne liegen jetzt Physikerinnen und Physiker der Goethe-Universität Frankfurt vorn.
12.06.2018
Sterne | Astrophysik | Teilchenphysik

Die wahre Macht des Sonnenwinds
Elektrisch geladene Teilchen von der Sonne schlagen mit großer Wucht auf Monden und Planeten ein.
13.04.2018
Teilchenphysik

Einzelne Fremdatome in Graphen nachweisbar
Einem Team mit Physikern der Universität Basel ist es gelungen, einzelne Fremdatome in Graphenbändern mithilfe der Rasterkraftmikroskopie eindeutig abzubilden.
30.05.2018
Teilchenphysik

Kieler Physikern gelingt die bisher präziseste Beschreibung hoch angeregter Elektronen
Es ist die Drosophila der modernen Physik: das homogene Elektronengas.
03.12.2018
Festkörperphysik | Teilchenphysik

Die Kraft des Vakuums
Wissenschaftler der Theorie-Abteilung des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) am Center for Free-Electron Laser Science in Hamburg haben mit theoretischen Berechnungen und Computersimulationen gezeigt, dass in atomar dünnen Schichten eines Supraleiters durch virtuelle Photonen die Kraft zwischen Elektronen und Gitterverzerrungen kontrollieren lässt.
24.11.2022
Teilchenphysik | Festkörperphysik | Quantenphysik

Spin-Korrelation zwischen gepaarten Elektronen nachgewiesen
Physiker haben erstmals experimentell belegt, dass es eine negative Korrelation gibt zwischen den beiden Spins eines verschränkten Elektronenpaares aus einem Supraleiter.
31.10.2018
Optik | Teilchenphysik

Zeitmessung ohne Stoppuhr
Volle Zeitabhängigkeit der Antwort eines Atoms auf starke Laserfelder durch Spektralanalyse extrahiert.
29.10.2018
Quantenoptik | Teilchenphysik

Weyl-Fermionen im Spotlight
Forscher aus der Theorieabteilung des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg und der North Carolina State University in den USA haben gezeigt, dass der lang gesuchte semi-metallische, magnetische Weyl-Zustand mit ultraschnellen Laserpulsen in magnetischen Materialien, den sogenannten Pyrochlor-Iridaten, erzeugt werden kann.
13.02.2019
Teilchenphysik | Elektrodynamik

Regensburger Physiker beobachten, wie es sich Elektronen gemütlich machen
Und können dadurch mit ihrer neu entwickelten Mikroskopiemethode Orbitale einzelner Moleküle in verschiedenen Ladungszuständen abbilden.
28.11.2018
Optik | Teilchenphysik

Ein Jet von Atomen – Erste Linse für extrem ultraviolettes Licht entwickelt
Wissenschaftler vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) haben die erste refraktive Linse entwickelt, die extrem ultraviolette Strahlen fokussiert.
19.05.2021
Teilchenphysik

Wenden bei Höchstgeschwindigkeit
Physiker:innen beobachten neuartige Lichtemission.
05.07.2018
Festkörperphysik | Teilchenphysik

Neuer Weltrekord bei der direkten solaren Wasserspaltung
In einem nachhaltigen Energiesystem wird Wasserstoff als Speichermedium eine wichtige Rolle spielen.
21.10.2021
Teilchenphysik

Auf der Jagd nach Hyperkernen
Mit dem WASA-Detektor wird bei GSI/FAIR gerade ein besonderes Instrument aufgebaut.
07.02.2015
Astrophysik | Teilchenphysik

Zeit im Universum messen
Bedeutende astrophysikalische Ereignisse in unserer Milchstraße können mithilfe radioaktiver Isotope zeitlich zugeordnet werden.
03.09.2018
Festkörperphysik | Teilchenphysik

Die Vermessung der Nanowelt
Forscher etablieren einen Maßstab zur genauen Bestimmung von Abständen innerhalb einzelner Moleküle.
30.06.2017
Satelliten | Teilchenphysik

Die Erschaffung des bisher komplexesten virtuellen Kosmos
Forschende der Universität Zürich haben mit einem Hochleistungsrechner die Entwicklung des Weltalls simuliert.
28.05.2020
Astrophysik | Quantenphysik | Teilchenphysik

Wieso Radium-Monofluorid den Blick ins Universum fundamental verändern kann
Ein internationales Forscherteam hat durch eine neue Methodik am CERN ein kurzlebiges, radioaktives Molekül erzeugt, dessen Eigenschaften eine fundamentale Rolle in der Physik spielen.
29.05.2018
Teilchenphysik | Thermodynamik

Wasser ist nicht gleich Wasser
Wassermoleküle kommen in zwei verschiedenen Formen mit fast identischen physikalischen Eigenschaften vor.
28.11.2018
Teilchenphysik

Supermikroskop beobachtet Lithium-Atome auf Wanderschaft - Einblicke in Minibatterie aus Graphen
Man kann es schlicht und einfach eine Sensation nennen, was hier Wissenschaftlern aus Stuttgart, Ulm und Dresden gelungen ist.
04.06.2020
Optik | Teilchenphysik

„Flüstergalerie“-Effekt steuert Elektronenstrahlen mit Licht
Wird in einer der Galerien der St.
18.08.2021
Teilchenphysik

Verwandlung im Teilchenzoo
Eine internationale Studie hat in Beschleuniger-Daten Hinweise auf einen lang gesuchten Effekt gefunden: Die „Dreiecks-Singularität“ beschreibt, wie Teilchen durch den Austausch von Quarks ihre Identität ändern und dabei ein neues Teilchen vortäuschen können.
25.10.2022
Galaxien | Teleskope | Teilchenphysik

Energetische Winde wehen aus der Dreiecksgalaxie
Untersuchungen des Zusammenspiels zwischen Sternentstehung und dem interstellaren Medium sind wichtig, um die Entwicklung von Galaxien zu verstehen.