Quantencomputer-Hardware: Wie Quantencomputer implementiert werden

Im vorherigen Artikel mit dem Titel„Die Grundlagen: Wie Quantencomputer funktionieren und wohin sich die Technologie entwickelt“ haben wir einen Überblick über grundlegende Konzepte des Quantencomputings gegeben, darunter Qubits (Quantenbits), Superposition und Verschränkung. Aufbauend auf diesen Prinzipien geben wir in diesem Artikel einen Überblick darüber, wie Qubits in realen physikalischen Systemen implementiert werden, um Quantencomputing zu ermöglichen. Es gibt viele führende Ansätze für das Design von Quantenhardware, die jeweils unterschiedliche Techniken zur Aufrechterhaltung der Qubit-Stabilität und zur Minimierung der Dekohärenz verwenden. Zu den vielversprechenden Ansätzen gehören (1) Quantencomputer mit neutralen Atomen, (2) Quantencomputer mit gefangenen Ionen, (3) supraleitende Quantencomputer und (4) Quantencomputer mit Spin-Qubits. Wir untersuchen die zugrunde liegenden physikalischen Systeme jedes Ansatzes und diskutieren ihre Vorteile und Kompromisse, wobei wir uns bewusst sind, dass die Entwicklung jedes Ansatzes unterschiedliche Auswirkungen hat.

Neutrale Atom-Quantencomputer

Neutrale Atom-Quantencomputer arbeiten mit Lasern oder elektromagnetischen Feldern, um neutrale Atome in einem bestimmten Bereich einzufangen. In solchen Systemen dienen neutrale Atome als Qubits, indem sie Quanteninformationen in den Energieniveaus der Elektronen oder Hyperfeinzuständen der Atome speichern. Die inneren Zustände der neutralen Atome dienen als logische |0⟩- und |1⟩-Zustände der Qubits. 

Präzise gesteuerte Laser- oder elektromagnetische Impulse werden verwendet, um die neutralen Atome zu manipulieren, die Qubits zu initialisieren, Quantenoperationen durchzuführen und Messungen ihrer Quantenzustände vorzunehmen. Einzelqubit-Operationen können durch Anlegen abgestimmter Laser- oder elektromagnetischer Impulse erreicht werden, um zwei ausgewählte interne Energieniveaus eines einzelnen Atoms zu koppeln. Die Dauer, Frequenz und Intensität der Impulse können angepasst werden, um den Zustand des Qubits von |0⟩ oder |1⟩ oder einer beliebigen Überlagerung dazwischen zu ändern und verschiedene Gatter mit dem einzelnen Atom durchzuführen. 

Neutrale Atom-Quantencomputer können Zwei-Qubit-Gatter implementieren, indem sie den „Rydberg-Blockadeeffekt” nutzen. Dazu werden Laser oder elektromagnetische Impulse verwendet, um ein Qubit in einen hochenergetischen Zustand anzuregen, der als „Rydberg-Zustand” bekannt ist. Beim Übergang in diesen hochenergetischen Zustand verschiebt das angeregte Atom die Energieniveaus benachbarter Atome und verhindert so, dass diese benachbarten Atome in ähnliche Energiezustände angeregt werden. Der Rydberg-Blockade-Effekt kann genutzt werden, um eine Überlagerung zwischen zwei benachbarten Atomen herzustellen und so Multi-Qubit-Gatter zu erzeugen.

Zu den Vorteilen von Quantencomputern mit neutralen Atomen zählen eine hohe Skalierbarkeit und einheitliche Qubit-Eigenschaften durch große Arrays gängiger Atome. Laser- und elektromagnetische Impulse ermöglichen zudem eine präzise Steuerung der Qubit-Zustände. Das Einfangen und Stabilisieren neutraler Atome ist jedoch eine Herausforderung, da bereits geringfügige Fehlausrichtungen oder Leistungsänderungen der Laserstrahlen dazu führen können, dass Atome abdriften oder entweichen. Darüber hinaus müssen alle neutralen Atome in einer kontrollierten Vakuumumgebung gehalten werden, um eine Dekohärenz aufgrund von Kollisionen mit Hintergrundgasen zu verhindern.  

Quantencomputer mit gefangenen Ionen

Im Gegensatz zu Quantencomputern mit neutralen Atomen beschränken (d. h. immobilisieren) Quantencomputer mit gefangenen Ionen geladene Atomteilchen (Ionen) im freien Raum mithilfe elektromagnetischer Felder. Die Bewegung jedes gefangenen Ions wird durch Laserkühlung der Ionen auf nahezu den Grundzustand gemindert. Wie bei Quantencomputern mit neutralen Atomen fungiert jedes Atom in einem System mit gefangenen Ionen als Qubit, das Quanteninformationen in den elektronischen oder Hyperfeinzuständen jedes Ions codiert (z. B. mithilfe von Laser- oder Mikrowellenimpulsen).

Multi-Qubit-Operationen werden in Quantencomputern mit gefangenen Ionen realisiert, indem die internen Qubit-Zustände der Ionen mit gemeinsamen Schwingungsmoden zwischen benachbarten Ionen gekoppelt werden. Da die Ionen im elektromagnetischen Feld gefangen sind, bewirkt jede Schwingungsbewegung eines Ions (z. B. durch Laserimpulse induziert) durch Coulomb-Wechselwirkungen (d. h. elektromagnetische Abstoßung zwischen den geladenen Ionen) eine quantisierte Bewegung mehrerer Ionen. Mit präzise gesteuerten Laser- oder elektromagnetischen Impulsen können die induzierten Schwingungen dazu führen, dass ausgewählte Ionen verschränkt werden, was verschiedene Multi-Qubit-Gatter und Quantenoperationen ermöglicht.

Quantencomputer mit gefangenen Ionen haben mehrere Vorteile, darunter niedrige Fehlerraten mit langen Kohärenzzeiten, hochpräzise Quantengatter, umfangreiche Anordnungsmöglichkeiten von verschränkten Teilchen (d. h. jedes Ion in einer Falle kann mit jedem anderen Ion in der Falle verschränkt werden) sowie gut verstandene und standardisierte Gatterschemata, die eine einfache Implementierung von Quantenalgorithmen ermöglichen. 

Allerdings sind diese Systeme in der Regel mit längeren Verarbeitungszeiten verbunden als Systeme, die Festkörper-Qubits verwenden (z. B. supraleitende Schaltungen oder Qubits auf Siliziumbasis). Darüber hinaus erfordern gefangene Ionensysteme in der Regel eine komplexe Laser- und elektromagnetische Infrastruktur, um brauchbare Ergebnisse zu erzielen. Wie Systeme mit neutralen Atomen erfordern auch gefangene Ionensysteme kontrollierte Vakuumbedingungen, um eine Dekohärenz aufgrund von Kollisionen mit Hintergrundgasen oder anderen Partikeln zu verhindern. 

Supraleitende Quantencomputer

Supraleitende Quantencomputer nutzen die Eigenschaften supraleitender Materialien, um Qubits zu erzeugen und zu steuern. Supraleitende Materialien, oder „Supraleiter“, sind Materialien, die Elektrizität ohne Widerstand oder Energieverlust leiten können. Supraleiter arbeiten bei extrem niedrigen Temperaturen, typischerweise innerhalb weniger Kelvin des absoluten Nullpunkts (z. B. 1 bis 20 K oder -272 bis -253 °C).  Supraleitende Quantencomputer verwenden eine Supraleiterstruktur namens „Josephson-Übergang“, um supraleitende Qubits (z. B. supraleitende elektronische Schaltungen) zu implementieren.

Josephson-Kontakte sind dünne, isolierende Barrieren zwischen supraleitenden Materialien, die zur Erzeugung einer Vielzahl verschiedener Qubits verwendet werden können, darunter Transmon-Qubits und Flux-Qubits. Transmon-Qubits werden durch die parallele Verbindung eines Josephson-Kontakts mit einem relativ großen Kondensator erzeugt. Dadurch entsteht ein nichtlinearer LC-Oszillator, der die Erzeugung diskreter Energieniveaus zur Umsetzung von Quantencomputern ermöglicht. Quanteninformationen können in den Energiezuständen von Transmon-Qubits mithilfe von Mikrowellenimpulsen codiert werden, die Übergänge zwischen den diskreten Energieniveaus des Qubits induzieren. Transmon-Qubits können durch kapazitive Kopplung oder induktive Kopplung benachbarter Qubits oder durch Kopplung an einen gemeinsamen Resonator, wie z. B. einen Mikrowellenhohlraum oder eine Übertragungsleitung, verschränkt werden.

Andererseits werden Flux-Qubits mithilfe einer „supraleitenden Schleife“ oder einem Strompfad gebildet, der eine oder mehrere Josephson-Übergänge umfasst. Flux-Qubits kodieren Quanteninformationen im Magnetfluss jedes Qubits, vermittelt durch die Richtung des Stroms durch die supraleitende Schleife. Die Stromrichtungen (z. B. im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn) dienen als logische |0⟩- und |1⟩-Zustände der Qubits. Flux-Qubits werden durch eine Kombination aus externer Magnetflussabstimmung und elektromagnetischen Impulsen gesteuert. Genauer gesagt können die Impulse und der Magnetfluss verwendet werden, um den Zustand des Qubits extern anzupassen, Übergänge zwischen den Zuständen |0⟩ und |1⟩ zu induzieren und Einzelqubit-Gatter zu implementieren. Multi-Qubit-Gatter können durch Verschränkung von Flux-Qubits über induktive Kopplung benachbarter Qubits, gemeinsame Josephson-Übergänge oder Kopplung an gemeinsame Resonatoren erreicht werden. 

Die Implementierung von Quantencomputern unter Verwendung von Supraleitern hat eine Reihe von Vorteilen, darunter sehr schnelle Gate-Operationen und die Möglichkeit, solche Systeme mit lithografischen Techniken herzustellen, die denen zur Herstellung herkömmlicher Halbleiterschaltungen ähneln. Supraleitende Quantencomputer lassen sich aufgrund ihrer einfachen Herstellung auch leicht skalieren und profitieren von einer gut etablierten Forschungsgemeinschaft. Allerdings leiden Supraleiter unter begrenzten Kohärenzzeiten und können nur bei extrem kalten Temperaturen betrieben werden. Solche Systeme sind auch anfällig für Störungen, insbesondere durch Übersprechen, das durch elektromagnetische Impulse zur Steuerung einzelner Qubits verursacht wird.

Spin-Qubit-Quantencomputer

Spin-Qubit-Quantencomputer verwenden Spin-Qubits, die Quanteninformationen im Spin von Ladungsträgern (z. B. Elektronen) in Halbleitermaterialien kodieren. Der Spin ist eine Quanteneigenschaft subatomarer Teilchen, die sich in einer Überlagerung von oben oder unten befinden kann, was jeweils den logischen Zustand |0⟩ und |1⟩ der Qubits darstellt. Die Quanteninformation jedes Elektrons (z. B. Spin-up- und Spin-down-Zustände) kann durch Drehen des Spins eines Elektrons in „Quantenpunkten” gesteuert werden. Quantenpunkte sind Bereiche innerhalb des Halbleitermaterials, die Elektronen in allen drei räumlichen Dimensionen einschließen. In einigen Systemen können in Halbleitermaterial implantierte Donatoratome, wie z. B. in ein Siliziumsubstrat implantierte Phosphoratome, verwendet werden, um den Spin von Elektronen zu isolieren.

Spin-Qubits können mithilfe verschiedener optischer, elektromagnetischer oder thermischer Techniken gesteuert werden. In einigen Systemen können Einzelqubit-Gatter implementiert werden, indem der Zustand durch Anlegen eines oszillierenden Magnetfelds gesteuert wird, das auf die Frequenz des Zielqubits abgestimmt ist. Oszillierende elektrische Felder können ebenfalls verwendet werden, um den Spin eines oder mehrerer Qubits in einen gewünschten Zustand zu überführen.

Multi-Qubit-Gatter können durch die Bereitstellung einer Tunnelbarriere zwischen zwei Quantenpunkten oder Donatoratomen implementiert werden. Die Wechselwirkung zwischen den Spins bewirkt, dass die beiden benachbarten Elektronen verschränkt werden, was zur Erzeugung von Gattern genutzt werden kann. Die Multi-Qubit-Gatter können durch Anlegen einer Spannung an das Gatter gesteuert werden, wodurch die Wechselwirkung zwischen den Spins der benachbarten Elektronen beeinflusst wird. 

Spin-Qubit-Quantencomputer haben eine Reihe von Vorteilen, darunter lange Kohärenzzeiten, geringer Platzbedarf und Kompatibilität mit bestehenden Halbleiterfertigungsprozessen. Allerdings erfordern solche Ansätze nach wie vor extrem niedrige Temperaturen für den Betrieb (z. B. nahe dem absoluten Nullpunkt). Darüber hinaus leiden Spin-Qubit-Quantencomputer unter einer schlechten Skalierbarkeit, da komplexe Schaltungen erforderlich sind, um hochfrequente Spannungssignale präzise an jedes Qubit innerhalb des Systems weiterzuleiten.

Stickstoff-freie Qubits

Ein vielversprechendes neues Paradigma in der Quanteninformatik nutzt Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren) in Diamanten, um robuste Qubits bei Raumtemperatur zu erzeugen. NV-Zentren sind atomare Defekte im Diamantgitter, die aus einem Stickstoffatom neben einer Leerstelle bestehen und eine spinabhängige Photolumineszenz sowie außergewöhnlich lange Spinkohärenzzeiten aufweisen. Dank dieser Eigenschaften können NV-Zentren als potenziell hochstabile Qubits fungieren, die optisch oder durch Mikrowellenfelder initialisiert, manipuliert und ausgelesen werden können. Im Gegensatz zu vielen anderen Quantensystemen, die eine extreme Kühlung erfordern, behalten NV-Zentrum-Qubits ihre Quantenkohärenz auch bei Raumtemperatur bei, was den Weg für praktischere und skalierbarere Quantenvorrichtungen ebnet. Darüber hinaus ermöglicht ihre Empfindlichkeit gegenüber magnetischen, elektrischen und thermischen Umgebungen neben der Quantenberechnung auch fortschrittliche Quantensensorik-Anwendungen. Dieser diamantbasierte Ansatz vereint Biokompatibilität, Langlebigkeit und das Potenzial zur Integration in bestehende Halbleitertechnologie und ist damit ein starker Kandidat für die nächste Generation von Quantentechnologien.

Die Auswirkungen

Diese Ansätze oder Implementierungen für Quantencomputer weisen unterschiedliche technologische Vorteile, Zeitpläne für die Marktreife und kommerzielle Einsatzbereitschaft, Lieferketten, potenzielle strategische Partnerschaften, Anwendungsfälle, Auswirkungen auf Produkte, Kosten usw. auf, wie vorgeschlagen. Das Verständnis der verschiedenen Auswirkungen wird für die Bewertung der strategischen und sonstigen Auswirkungen wichtig sein. Da sich der Wettlauf um die Quantenüberlegenheit und um Quantencomputer für Verbraucher intensiviert, wird dies Investitionen, strategische Entscheidungen, Geschäftszeitpläne und Risikoanalysen beeinflussen.  Es ist zwar noch zu früh, um zu sagen, welcher Ansatz sich durchsetzen wird, aber jetzt ist es an der Zeit, dass Strategen, Analysten und Entscheidungsträger sich mit den Kandidaten vertraut machen.