Forscher finden das fehlende photonische Bindeglied für ein Quanteninternet, das nur aus Silizium besteht
Forschern der Simon Fraser University ist ein entscheidender Durchbruch bei der Entwicklung der Quantentechnologie gelungen.
Ein einzelnes T-Zentrum-Qubit im Siliziumgitter (gerendert), das den ersten optisch beobachteten Einzelspin in Silizium trägt. Die Bestandteile des T-Zentrums (zwei Kohlenstoffatome und ein Wasserstoffatom) sind orange dargestellt, und der optisch adressierbare Elektronenspin ist in leuchtendem Hellblau.
Photonic
In ihrer in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Forschungsarbeit beschreiben sie die Beobachtung von über 150 000 Photonen-Spin-Qubits aus Silizium ("T-Zentrum"). Dies ist ein wichtiger Meilenstein, der die unmittelbare Möglichkeit eröffnet, massiv skalierbare Quantencomputer und das Quanteninternet, das diese miteinander verbinden wird, zu bauen.
Die Quanteninformatik hat das enorme Potenzial, eine Rechenleistung bereitzustellen, die weit über die Fähigkeiten heutiger Supercomputer hinausgeht, was Fortschritte in vielen anderen Bereichen wie Chemie, Materialwissenschaft, Medizin und Cybersicherheit ermöglichen könnte.
Damit dies Wirklichkeit wird, müssen sowohl stabile, langlebige Qubits hergestellt werden, die die Rechenleistung liefern, als auch die Kommunikationstechnologie, die es ermöglicht, diese Qubits in großem Maßstab miteinander zu verbinden.
Frühere Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass Silizium einige der stabilsten und langlebigsten Qubits in der Branche herstellen kann. Die von Daniel Higginbottom, Alex Kurkjian und Co-Autoren veröffentlichte Forschungsarbeit beweist nun, dass T-Zentren, ein spezifischer lumineszierender Defekt in Silizium, eine "photonische Verbindung" zwischen Qubits herstellen können. Die Ergebnisse stammen aus dem SFU Silicon Quantum Technology Lab im Fachbereich Physik der SFU, das von Stephanie Simmons, Canada Research Chair in Silicon Quantum Technologies, und Michael Thewalt, Professor Emeritus, geleitet wird.
"Diese Arbeit ist die erste Messung einzelner T-Zentren in Isolation, und eigentlich die erste Messung eines einzelnen Spins in Silizium, die nur mit optischen Messungen durchgeführt wurde", sagt Stephanie Simmons.
"Ein Emitter wie das T-Zentrum, der hochleistungsfähige Spin-Qubits und die Erzeugung optischer Photonen kombiniert, ist ideal für den Bau skalierbarer, verteilter Quantencomputer, da sie die Verarbeitung und die Kommunikation zusammen erledigen können, anstatt zwei verschiedene Quantentechnologien miteinander zu verbinden, eine für die Verarbeitung und eine für die Kommunikation", so Simmons.
Darüber hinaus haben T-Zentren den Vorteil, dass sie Licht mit der gleichen Wellenlänge aussenden, die auch die heutigen Glasfaserkommunikations- und Telekommunikationsnetzwerke verwenden.
"Mit T-Zentren kann man Quantenprozessoren bauen, die von sich aus mit anderen Prozessoren kommunizieren", sagt Simmons. "Wenn Ihr Silizium-Qubit kommunizieren kann, indem es Photonen (Licht) in demselben Band aussendet, das in Datenzentren und Glasfasernetzen verwendet wird, erhalten Sie dieselben Vorteile für die Verbindung der Millionen von Qubits, die für Quantencomputer benötigt werden.
Die Entwicklung der Quantentechnologie unter Verwendung von Silizium bietet die Möglichkeit, das Quantencomputing schnell zu skalieren. Die weltweite Halbleiterindustrie ist bereits in der Lage, Silizium-Computerchips in großem Maßstab kostengünstig und mit einem erstaunlichen Maß an Präzision herzustellen. Diese Technologie bildet das Rückgrat der modernen Computer- und Netzwerktechnik, von Smartphones bis hin zu den leistungsfähigsten Supercomputern der Welt.
"Wenn man einen Weg findet, Quantencomputer-Prozessoren in Silizium herzustellen, kann man all die Jahre der Entwicklung, des Wissens und der Infrastruktur nutzen, die für die Herstellung herkömmlicher Computer verwendet werden, anstatt eine völlig neue Industrie für die Quantenherstellung zu schaffen", sagt Simmons. "Dies stellt einen fast unüberwindbaren Wettbewerbsvorteil im internationalen Wettlauf um den Quantencomputer dar".
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