«Heisse» Spin-Quantenbits in Siliziumtransistoren

Die neu entwickelten Qubits beruhen auf sogenannten Löchern (rot), deren Eigendrehimpuls (Pfeile) in die eine oder die andere Richtung die Information speichert. Angeordnet sind sie in einer an Siliziumtransistoren angelehnten Architektur. (Illustration: NCCR Spin)

Quantenbits (Qubits) sind die kleinsten Informationseinheiten eines Quantencomputers. Zu den aktuell grössten Herausforderungen bei der Entwicklung eines solch leistungsfähigen Computers zählt die Skalierbarkeit. Einen Durchbruch in diese Richtung hat eine Forschungsgruppe der Universität Basel zusammen mit Kollegen des IBM Forschungslabors in Rüschlikon zu verzeichnen.

Quantencomputer versprechen bisher unerreichte Rechenleistung, allerdings beruhen Prototypen bisher nur auf wenigen Recheneinheiten. Um das Potenzial dieser neuen Computergeneration auszuschöpfen, müsste es gelingen, Qubits in grossem Massstab zusammenzuschliessen.

Dieses Problem der Skalierbarkeit betraf in der Vergangenheit auch klassische Computer und konnte mit auf Siliziumchips integrierten Transistoren gelöst werden. Das Forschungsteam um Dr. Andreas Kuhlmann und Prof. Dr. Dominik Zumbühl von der Universität Basel stellt nun siliziumbasierte Qubits vor, die in ihrer Bauweise einem klassischen Siliziumtransistor sehr ähnlich sind. Ihre Ergebnisse publizieren die Forscher in der Fachzeitschrift «Nature Electronics».

Auf klassischer Siliziumtechnologie aufbauen
Bei klassischen Computern lag die Lösung für das Problem der Skalierbarkeit in Siliziumchips, auf denen man heute Milliarden von sogenannten Fin Feldeffekttransistoren (FinFETs) findet. Diese FinFETs sind klein genug für Quantenanwendungen: Bei sehr niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (0 Kelvin oder -273,15 Grad Celsius) kann darin ein einzelnes Elektron mit negativer Ladung oder ein sogenanntes Loch mit positiver Ladung als Spin-Qubit fungieren. Ein Spin-Qubit speichert die Quanteninformation in den beiden Zuständen spin-up (Eigendrehimpuls nach oben) und spin-down (Eigendrehimpuls nach unten).

Diese Arbeit wurde im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunkts SPIN durchgeführt, der 2020 gestartet ist und unter Leitung der Universität Basel steht. Der NCCR Spin arbeitet an skalierbaren Spin-Qubits in Halbleiter-Nanostrukturen aus Silizium und Germanium und entwickelt kleine und schnelle Qubits für einen universellen Quantencomputer.

Das SPIN-Netzwerk vereint Forschungsgruppen aus den Bereichen experimentelle und theoretische Physik, Materialwissenschaften, Ingenieurwesen und Informatik und umspannt sowohl die EPFL und ETH Zürich als auch das IBM Forschungslabor Zürich. Neben der Forschung und Entwicklung zu seinen kommerziellen supraleitenden Quantencomputern betreibt IBM mit dem Forschungszentrum Zürich auch explorative Forschung zu anderen Qubit-Technologien wie Spin-Qubits.