Ob in unseren Telefonen, Autos, Fernsehern, medizinischen Geräten oder sogar Waschmaschinen - Computer sind heute allgegenwärtig. Größere Computer helfen uns, größere Probleme zu lösen, z. B. ein Stromnetz zu verwalten, ein Flugzeug zu konstruieren, das Wetter vorherzusagen oder verschiedene Arten von künstlicher Intelligenz (KI) bereitzustellen. All diese Maschinen funktionieren, indem sie Daten in Form von Einsen und Nullen (Bits) mit klassischen Techniken manipulieren.
Der stetige technologische Fortschritt der Menschheit stellt uns jedoch vor Probleme, die selbst mit den leistungsfähigsten klassischen Supercomputern nicht mehr zu lösen sind. Für diese Herausforderungen werden Quantencomputer benötigt, die die besonderen Gesetze der Quantenmechanik nutzen und Informationen in Quantenbits oder Qubits speichern. Ein Qubit kann aus einem beliebigen Quantenobjekt mit zwei oder mehr Zuständen gebildet werden, z.B. einem Elektron, dessen Spin nach oben bzw. unten gerichtet sein kann.
Diese Qubits lassen sich z.B. mit Mikrowellen oder Laserstrahlen manipulieren und sogar in Zustände versetzen , die quantenmechanisch eine Mischung aus Nullen und Einsen sind. Auf dieser Vielseitigkeit beruht das große Potenzial eines Quantencomputers, in wenigen Stunden Rechenaufgaben zu lösen, für die klassische Supercomputer Jahrhunderte brauchen würden.
Um komplexe Rechenprobleme von gesellschaftlicher Relevanz lösen zu können, werden leistungsfähige Quantencomputer benötigt, die in Chiparchitektur, Größe und Komplexität mit heutigen klassischen Prozessoren vergleichbar sind. Das heißt, dass ein Quantenprozessor eine große Anzahl physikalischer Qubits in einer regelmäßigen, skalierbaren Anordnung erfordert.
Silizium ist das Schlüsselmaterial der heutigen Informationstechnologie-Industrie. Es ist als Halbleiter reichlich vorhanden und vielseitig einsetzbar. Die Möglichkeit, skalierbare atomare Anordnungen mit bewährten industriellen Fertigungswerkzeugen herzustellen, macht Silizium, das Hauptelement klassischer Computer, geeignet für den Bau zuverlässiger Quantencomputer. Durch gezieltes Einbringen von Dotieratomen ist es bereits gelungen, einzelne Qubits in Silizium herzustellen, zu programmieren und auszulesen.
Forschende der Universität Melbourne und des IOM-Querschnittsbereiches „Werkzeuge/ Entwicklung der deterministischen Ionenimplantation für Anwendungen in der Quantentechnologie“ haben nun mehrere Verfahren zur deterministischen Materialdotierung entwickelt, die für den Aufbau großflächiger Donatoranordnungen für die Quanteninformationsverarbeitung in Silizium geeignet sind.
Eine Möglichkeit besteht darin, zweiatomige Antimonmoleküle zu verwenden, so dass bei jeder Implantation eng benachbarte Paare von Antimonatomen entstehen. Diese Paare können bis zu sechs physikalische Qubits hoher Qualität beherbergen, die durch ein einziges elektronisches Gatter gesteuert werden können, was als „Multi-Qubit-Gate-Operation“ bezeichnet wird.
Der nächste Schritt ist der Bau eines Quantenprozessors aus regelmäßigen Anordnungen einer Vielzahl von Qubits, die mit den notwendigen Schaltkreisen ausgestattet sind, mit denen die Wechselwirkungen der Qubits programmiert und kontrolliert werden können.
Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift Advanced Materials unter dem Titel "Scalable Atomic Arrays for Spin-Based Quantum Computers in Silicon" veröffentlicht (https://doi.org/10.1002/adma.202405006).