Neue Technik könnte beim Bau der Quantencomputer der Zukunft helfen

Quantencomputer haben das Potenzial, komplexe Probleme der menschlichen Gesundheit, der Arzneimittelforschung und der künstlichen Intelligenz millionenfach schneller zu lösen als einige der schnellsten Supercomputer der Welt. Ein Netzwerk von Quantencomputern könnte diese Entdeckungen sogar noch schneller vorantreiben. Doch bevor das möglich ist, braucht die Computerindustrie eine zuverlässige Methode, um Milliarden von Qubits – oder Quantenbits – mit atomarer Präzision aneinanderzureihen.

Das Verbinden von Qubits stellte für die Forschungsgemeinschaft allerdings eine Herausforderung dar. Bei einigen Verfahren werden Qubits gebildet, indem ein ganzer Siliziumwafer in einen Schnellglühofen bei sehr hohen Temperaturen gelegt wird.

Bei diesen Methoden bilden sich Qubits zufällig aus Defekten (auch Farbzentren oder Quantenemitter genannt) im Kristallgitter von Silizium. Und ohne genau zu wissen, wo sich Qubits in einem Material befinden, wird es schwierig sein, einen Quantencomputer aus verbundenen Qubits zu realisieren.

Doch nun könnte es bald möglich sein, Qubits miteinander zu verbinden. Ein Forscherteam unter der Leitung des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) sagt, es sei das erste Team, das einen Femtosekundenlaser verwendet, um Qubits nach Bedarf und mit hoher Präzision zu erzeugen und zu „vernichten“, indem es Silizium mit Wasserstoff dotiert.

Dieser Fortschritt könnte Quantencomputer ermöglichen, die programmierbare optische Qubits oder „Spin-Photon-Qubits“ verwenden, um Quantenknoten über ein Remote-Netzwerk zu verbinden. Er könnte auch ein Quanteninternet voranbringen, das nicht nur sicherer ist, sondern auch mehr Daten übertragen kann als die aktuellen Glasfaser-Informationstechnologien.

„Um eine skalierbare Quantenarchitektur oder ein skalierbares Quantennetzwerk zu schaffen, brauchen wir Qubits, die sich bei Bedarf zuverlässig an gewünschten Stellen bilden können, sodass wir wissen, wo sich das Qubit in einem Material befindet. Und deshalb ist unser Ansatz so wichtig“, sagte Kaushalya Jhuria, Postdoktorandin in der Abteilung Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) des Berkeley Lab. Sie ist die Erstautorin einer neuen Studie, die die Technik in der Zeitschrift beschreibt. Naturkommunikation.

„Denn wenn wir erst einmal wissen, wo sich ein bestimmtes Qubit befindet, können wir bestimmen, wie wir dieses Qubit mit anderen Komponenten im System verbinden und ein Quantennetzwerk bilden.“

„Dies könnte einen neuen Weg für die Industrie ebnen, um die Herausforderungen bei der Herstellung und Qualitätskontrolle von Qubits zu überwinden“, sagte der leitende Forscher Thomas Schenkel, Leiter des Fusion Science & Ion Beam Technology Program in der ATAP-Abteilung des Berkeley Lab. Seine Gruppe wird im Juni die erste Gruppe von Studenten der University of Hawaii beherbergen, die dort in die Wissenschaft und Technologie von Farbzentren/Qubits eintauchen werden.

Bildung von Qubits in Silizium mit programmierbarer Steuerung

Bei der neuen Methode wird eine Gasumgebung verwendet, um programmierbare Defekte, sogenannte „Farbzentren“, in Silizium zu bilden. Diese Farbzentren sind Kandidaten für spezielle Telekommunikations-Qubits oder „Spin-Photon-Qubits“. Bei der Methode wird außerdem ein ultraschneller Femtosekundenlaser verwendet, um Silizium mit höchster Präzision dort zu glühen, wo diese Qubits genau entstehen sollen. Ein Femtosekundenlaser sendet innerhalb einer Billiardstelsekunde sehr kurze Energieimpulse an ein fokussiertes Ziel von der Größe eines Staubkorns.

Spinphoton-Qubits emittieren Photonen, die in Elektronenspins kodierte Informationen über weite Distanzen transportieren können – ideale Eigenschaften für ein sicheres Quantennetzwerk. Qubits sind die kleinsten Komponenten eines Quanteninformationssystems, das Daten in drei verschiedenen Zuständen kodiert: 1, 0 oder eine Superposition, die alles zwischen 1 und 0 umfasst.

Mit Hilfe von Boubacar Kanté, einem Wissenschaftler in der Abteilung für Materialwissenschaften des Berkeley Lab und Professor für Elektrotechnik und Informatik (EECS) an der UC Berkeley, verwendete das Team einen Nahinfrarotdetektor, um die resultierenden Farbzentren zu charakterisieren, indem es ihre optischen (Photolumineszenz-)Signale untersuchte.

Was sie entdeckten, überraschte sie: ein Quantenemitter namens C_ich Zentrum. Aufgrund seiner einfachen Struktur, Stabilität bei Raumtemperatur und vielversprechenden Spineigenschaften ist das C_ich Zentrum ist ein interessanter Spin-Photon-Qubit-Kandidat, der Photonen im Telekommunikationsband emittiert. „Wir wussten aus der Literatur, dass C_ich kann in Silizium gebildet werden, aber wir haben nicht erwartet, mit unserem Ansatz tatsächlich diesen neuen Spin-Photon-Qubit-Kandidaten herzustellen“, sagte Jhuria.

Die Forscher fanden heraus, dass die Verarbeitung von Silizium mit einer niedrigen Femtosekundenlaserintensität in Gegenwart von Wasserstoff zur Erzeugung des C beitrug._ich Farbzentren. Weitere Experimente zeigten, dass sich durch eine Erhöhung der Laserintensität die Mobilität des Wasserstoffs erhöhen lässt, wodurch unerwünschte Farbzentren passiviert werden, ohne das Siliziumgitter zu beschädigen, erläuterte Schenkel.

Eine theoretische Analyse von Liang Tan, Wissenschaftler in der Molecular Foundry des Berkeley Lab, zeigt, dass die Helligkeit des C_ich Farbzentrum wird in Gegenwart von Wasserstoff um mehrere Größenordnungen verstärkt, was ihre Beobachtungen aus Laborexperimenten bestätigt.

„Die Femtosekunden-Laserpulse können Wasserstoffatome herausschlagen oder zurückbringen, was die programmierbare Bildung der gewünschten optischen Qubits an präzisen Stellen ermöglicht“, sagte Jhuria.

Das Team plant, die Technik zu nutzen, um optische Qubits in Quantengeräte wie reflektierende Hohlräume und Wellenleiter zu integrieren und neue Spin-Photon-Qubit-Kandidaten mit für ausgewählte Anwendungen optimierten Eigenschaften zu entdecken.

„Jetzt, da wir Farbzentren zuverlässig herstellen können, möchten wir verschiedene Qubits dazu bringen, miteinander zu kommunizieren – was eine Verkörperung der Quantenverschränkung ist – und sehen, welche am besten funktionieren. Dies ist erst der Anfang“, sagte Jhuria.

„Die Fähigkeit, Qubits an programmierbaren Stellen in einem in großem Maßstab verfügbaren Material wie Silizium zu bilden, ist ein spannender Schritt in Richtung praktischer Quantennetzwerke und -computer“, sagte Cameron Geddes, Direktor der ATAP-Abteilung.