Bei minus 273 Grad Celsius, nahe der tiefst möglichen Temperatur im Universum, sollen die Mikrochips arbeiten, die Jülicher Elektroingenieure entwerfen. Solche Chips wird man benötigen, um künftige Quantencomputer mit Millionen von Qubits zu betreiben und wie konventionelle Computer zu bedienen.
„Beim Quantencomputer könnten wir in einigen Jahren in eine Lage kommen, wie die Betreiber herkömmlicher Rechenanlagen Ende der 1950-er Jahre“, sagt Dr. Carsten Degenhardt vom Jülicher Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik (ZEA-2). Um die Rechenleistung der damaligen Computer zu steigern, die nur wenige Bits gleichzeitig verarbeiten konnten, entwarfen die Ingenieure damals immer komplexere Schaltungen. Lötstellen und die Verkabelung der einzelnen Komponenten untereinander nahmen dabei in einem Maße zu, dass der Platzbedarf und die Wahrscheinlichkeit von Verbindungsfehlern enorm stiegen.
Statt Bits, die nur die Werte Null und Eins einnehmen können, verwenden Quantencomputer Qubits als kleinste Rechenelemente. Die meisten von ihnen sind so empfindlich, dass sie nur bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt bei minus 273,15 Grad Celsius stabil und fast fehlerfrei laufen. Ein spezielles Kühlgerät, Kryostat genannt, hält den Quanten-Prozessor auf dieser extrem niedrigen Temperatur.
Die derzeit besten Prozessoren in universellen Quantencomputern schaffen es, rund 50 Qubits gleichzeitig zu verarbeiten. Um die Qubits anzusteuern und auszulesen, erzeugt man die dazu notwendigen Signale mit herkömmlicher Elektronik bei Raumtemperatur. Die Signale gelangen dann zum Quantenprozessor über Kabel, die durch den Kryostaten laufen. „Bei 50 oder auch 100 Qubits funktioniert das. Aber nicht mehr bei Quantencomputern in zehn oder mehr Jahren, die über eine Million Qubits haben sollen“, ist Degenhardt überzeugt. Denn die Kabel sind störanfällig und brauchen viel Platz. Hinzu kommt, dass über die Drähte Wärme in den Kryostaten eingetragen wird. Fachleute sprechen davon, dass das bisherige Baukonzept für Quantencomputer schlecht „skalierbar“ ist.
Die Lösung des Dilemmas der 1950-er Jahre war die Erfindung der integrierten Schaltung: Auf einem einzigen Halbleiter-Plättchen, dem Mikrochip, können sehr viele elektronische Komponenten – Transistoren, Widerstände, Kondensatoren – samt ihrer Verbindungen aufgebracht werden. Somit liegt auch die Lösung bei der Qubit-Ansteuerung auf der Hand: Man benötigt einen Mikrochip, der in unmittelbarer Nähe der Qubits zum Beispiel Spannungssignale erzeugt und verarbeitet.
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