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News: Quantencomputer aus Silicium

Experten sehen das Ende der Silicium-Technologie bei Computern in 15 bis 20 Jahren. Eine mögliche Alternative wäre der Quantencomputer - der dann aber vielleicht doch wieder aus Silicium besteht.
Seit Peter Shor von der Forschungsabteilung von AT&T im Jahre 1994 auf theoretischem Wege zeigte, dass ein Quantencomputer riesige Zahlen in Windeseile in ihre Primfaktoren zerlegen kann, ist das Interesse an jenen Wunderrechnern groß. Doch sind bisherige Ansätze nur mäßig erfolgreich – zu wenig Quanten-Bits, aufwändige Versuchsbedingungen und mangelhafte "Haltbarkeit" der Daten gehören zu den größten Problemen.

Zu den aussichtsreichsten Versuchen gehörten bislang die Quantencomputer im Reagenzglas. Denn bereits die Moleküle einer geeigneten Flüssigkeit taugen prinzipiell zum Rechnen. Hierbei bedienen sich die Forscher des Kernspins der Atome der Flüssigkeitsmoleküle, die sich wie winzige Stabmagneten verhalten und im Magnetfeld zwei mögliche Ausrichtungen besitzen: parallel oder antiparallel zum Feld. Entsprechend kann man diesen beiden Möglichkeiten eine logische "1" beziehungsweise "0" zuweisen und hat so ein Quantenbit oder kurz Qubit, das sich mit Methoden der Kernspinresonanz manipulieren und auslesen lässt.

Doch auch die Rechenkapazität von Flüssigkeiten ist beschränkt, da das Signal-Rausch-Verhältnis kontinuierlich abnimmt, je mehr Qubits sich in der Lösung befinden. Aber vielleicht muss man ja auch gar nicht auf irgendwelche Flüssigkeiten oder noch ungewöhnlichere Systeme zurückgreifen. Denn Thaddeus Ladd und seine Kollegen von der Stanford University sowie der Keio University in Yokohama meinen, dass auch herkömmliche Silicium-Technik einen brauchbaren Quantencomputer hervorbringen könnte.

Dabei wollen die Forscher den Kernspin des Isotops Silicium-29 nutzen. Denn anders als die beiden häufigen Isotope 28Si und 30Si, deren Kernspin 0 ist, weist 29Si einen Spin von 1/2 auf, der sich im Magnetfeld ausrichten lässt.

Ladd und sein Team schlagen nun vor, hochreine 28Si-Kristalle entlang einer bestimmten Kristallrichtung zu spalten, sodass eine stufige Oberfläche entsteht. In diese Kanten lässt sich dann 29Si abscheiden. Danach kann darauf eine Deckschicht aus 28Si aufgebracht werden, die wiederum mit 29Si bedampft wird und so weiter – bis schließlich viele übereinandergestapelte Ketten aus 29Si in einer 28Si-Matrix vorliegen.

Im nächsten Schritt lässt sich dann hieraus mit gängiger Technik eine frei schwebende Silicium-Brücke ätzen, die die 29Si-Ketten enthält. Die Kernspins der 29Si-Atome werden dabei von einem Miniaturmagneten in der Nähe der Brücke ausgerichtet. Außerdem legt der Magnet auch die Energie fest, die zum Umdrehen des Spin nötig ist: Je näher die Silicium-Atome dem Magneten sind, desto größer muss die Energie sein.

Zusätzlich zum festen Feld des Permanentmagneten kann dann von außen mit einer Spule ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt werden. Je nach Frequenz dieses oszillierenden Feldes lassen sich damit ganz bestimmte Spins umklappen, was der Eingabe von Daten entspricht. Auslesen kann man die Bits schließlich, indem das Schwingungsverhalten der Brücke in Reaktion auf das äußere Feld gemessen wird.

Zwar sind auch bei einem solchen Quantenrechner noch einige Herausforderungen zu meistern, aber anders als bei den vielen anderen Ideen, werden alle hier verwendeten Herstellungs- und Messtechniken bereits erfolgreich eingesetzt. Nur bauen muss ihn noch jemand.

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