Quantentechnologie macht Fortschritt dank fortschrittlicher Supraleitungstechnologie

Eine aufstrebende Technologie, Quantencomputing nutzt die Gesetze der Quantenmechanik, um komplexe Probleme zu lösen, die die Kapazität herkömmlicher Computer übersteigen. 

Diese Quantencomputer speichern Informationen in Qubits (oder Quantenbits). Im Gegensatz zu klassischen Bits können diese Qubits über den binären Zustand 0 und 1 hinaus existieren und daher Berechnungen viel schneller durchführen. 

Außerdem kommen diese Qubits in verschiedenen Formen, darunter gefangene Ionen‑Qubits, die geladene Ionen oder Atome verwenden; photonische Qubits, die Lichtteilchen nutzen; und supraleitende Qubits, die eine Schaltkreisschleife mit einem elektrischen Strom darstellen, der um sie herumfließt. 

Als Teil der ‘Festkörper’-Quantenberechnung wurden supraleitende Qubits erstmals 1999 demonstriert. Seitdem haben sie sich zu einer der wichtigsten Formen der Qubit‑Technologie entwickelt und bieten Vorteile wie reduzierte Energieverluste, geringen Widerstand, verringerte Dekohärenz, skalierbare Quanten‑Schaltkreise, Hochgeschwindigkeits‑Qubit‑Operationen, stabile Qubit‑Zustände, hochpräzise Qubit‑Steuerung und Fehlkorrektur. 

Im vergangenen Jahrzehnt hat sich das supraleitende Quantencomputing zu einer beliebten Option für den Bau funktionaler Quantencomputer entwickelt, und laufende Forschung bringt uns der Realisierung näher. 

Aktuelle Durchbrüche bei Supraleitermaterialien

Erst diese Woche veröffentlichte ein Forscherteam eine Studie in Science Advances über die Entwicklung eines neuen Supraleitermaterials für das Quantencomputing. 

Das neue Supraleitermaterial ist ein Kandidat für einen „topologischen Supraleiter“, eine Art, die ein Loch oder den delokalisierten Zustand eines Elektrons nutzt, um Quanteninformationen zu übertragen und Daten zu verarbeiten. 

Physiker Peng Wei von der University of California leitete ein Forscherteam, das trigonalem Tellur kombiniert hat, ein nichtmagnetisches Material, das nicht überlagert werden kann auf sein Spiegelbild, zusammen mit einem Oberflächen‑Supraleiter, der auf der Oberfläche eines dünnen Goldfilms erzeugt wurde. 

Diese Kombination erschuf einen 2D‑Oberflächen‑Supraleiter mit verbesserter Spin‑Polarisation, wodurch die Anregungen potenziell zur Erzeugung eines stabilen Spin‑Qubits. Dieses bahnbrechende Supraleitermaterial hat das Potenzial, die Skalierbarkeit und Zuverlässigkeit von Quantencomputing‑Komponenten zu revolutionieren. 

“Durch die Schaffung einer sehr sauberen Schnittstelle zwischen dem chiralen Material und Gold haben wir einen zweidimensionalen Oberflächen‑Supraleiter entwickelt. Der Oberflächen‑Supraleiter ist einzigartig, da er in einer Umgebung existiert, in der die Energie des Spins um das Sechsfache stärker verstärkt ist als bei herkömmlichen Supraleitern.”

– Wei, außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie

Unter einem Magnetfeld wurde beobachtet, dass das Material einen Übergang vollzog, was seine Verwendung als Triplett‑Supraleiter nahelegt, der zu robusteren Quantencomputing‑Komponenten führen könnte. Es wurde im Wesentlichen bei einem hohen Magnetfeld robuster als bei einem niedrigen Magnetfeld. 

Darüber hinaus unterdrückt diese neue Technologie durch die Verwendung nichtmagnetischer Materialien für sauberere Schnittstellen natürlich die Quellen der Dekohärenz, was im Quantencomputing eine Herausforderung darstellt. 

Die Forscher zeigten zudem, dass der Supraleiter zu hochwertigen, verlustarmen Mikrowellenresonatoren verarbeitet werden kann, die kritische Komponenten des Quantencomputings sind. Damit können verlustarme supraleitende Qubits entstehen. 

Da die Reduzierung von Dekohärenz oder dem Verlust von Quanteninformationen in einem Qubit‑System die größte Herausforderung im Quantencomputing darstellt, kann diese Forschung dazu beitragen, skalierbarere und zuverlässigere Quantencomputing‑Komponenten zu entwickeln. Laut Wei:

“Wir haben dies mit Materialien erreicht, die um eine Größenordnung dünner sind als die, die typischerweise in der Quantencomputing‑Industrie verwendet werden.”

Diese Mikrowellenresonatoren erreichen einen Qualitätsfaktor von bis zu 1 Million.

Eine Woche zuvor veröffentlichte ein von UCLA geleitetes Team ebenfalls eine Studie, die ein neues Material vorstellte, das vielversprechend für das Quantencomputing ist. 

Das Material behielt seine supraleitenden Eigenschaften bei deutlich höheren als üblichen Magnetfeldern bei und zeigte den Supraleiter‑Dioden‑Effekt. Dieser Effekt, der einen höheren Stromfluss in eine Richtung ermöglicht, wird typischerweise in chiralen Supraleitern beobachtet und ist bei herkömmlichen Supraleitern selten. 

Um das chirale Verhalten in einem konventionellen Supraleiter zu induzieren, erzeugten die Forscher eine chirale Molekülschicht und eine geschichtete Struktur mit dem 2D‑Material Tantal‑Disulfid (TaS2). 

Diese Studie zeigte das Potenzial, die Effizienz und Stabilität des Quantencomputings zu verbessern und konventionelle Elektronik schneller und energieeffizienter zu machen. 

Innovationen in der Qubit‑Steuerung und Skalierbarkeit

Da Quantencomputer die Fähigkeit besitzen, die Welt „radikal zu verändern“, gibt es weltweit ein Wettrennen, einen praktischen Quantencomputer zu bauen. 

Eine der größten Herausforderungen, die das Wachstum von Quantencomputern behindert, ist jedoch die Skalierbarkeit, das heißt, dass ausreichend große Computer reale Probleme lösen können. Um einen Quantencomputer zu haben, der nützliche Probleme bewältigen kann, benötigen wir entweder mehr Qubits oder eine zuverlässige Methode, um bei Berechnungen entstehende Fehler zu reduzieren. 

Daher haben Forscher in Japan das Problem angegangen, indem sie die handhabbare Anzahl von Qubits erhöht und die erforderliche Anzahl von Qubits verringert haben. 

Vor ein paar Monaten haben die Forscher erfolgreich einen supraleitenden Schaltkreis demonstriert, der bei niedrigen Temperaturen viele Qubits steuern kann. 

In diesem Experiment wurde gezeigt, dass ein supraleitender Schaltkreis mehrere Qubits über nur ein Kabel mittels Mikrowellen‑Multiplexing steuern kann. Der Schaltkreis hat das Potenzial, die Dichte der Mikrowellensignale pro Kabel um etwa das 1.000‑fache zu erhöhen. Dieser Fortschritt kann die Anzahl kontrollierbarer Qubits erheblich steigern und zur Entwicklung großskaliger Quantencomputer beitragen. 

Um die für die Verbindung von Qubits und raumtemperaturbasierter Elektronik erforderliche Hardware zu reduzieren, wurde eine innovative „Kryo‑Elektronik“ entwickelt. „Kryo‑Elektronik“ ist Elektronik zur Qubit‑Steuerung und -Auslesung, die bei kryogenen Temperaturen in der Nähe der Qubits arbeitet. 

Kryo‑Elektronik wurde zudem bei hohen Taktfrequenzen bei vier Grad über dem absoluten Nullpunkt demonstriert. Jetzt liegt der Fokus darauf, den Energieverbrauch zu senken, um die neben den Qubits entstehende Wärme zu minimieren. 

Ein weiterer Schwerpunkt japanischer Forscher liegt darin, Wege zur Korrektur von Verarbeitungsfehlern zu finden. In diesem Zusammenhang entwickelten Forscher der Princeton University eine Fertigungstechnik für fehlerfreies Quantencomputing. 

In dieser Forschung erzeugten Wissenschaftler eine supraleitende Schicht auf einem topologischen Isolator, Tungsten‑Ditellurid (WTe2). Die Technik nutzte einen „Samen“ aus abgeschiedenem Metall (Palladium) auf der Oberfläche des Isolators, um eine neue kristalline Struktur, Pd7WTe2, zu bilden, die keinen Widerstand aufwies. 

Die Atomspritz‑Technik funktioniert erfolgreich mit einer Vielzahl von Materialien, darunter Molybdän‑Ditellurid (MoTe2). 

Obwohl weitere Tests erforderlich sind, um festzustellen, ob es sich um einen topologischen Supraleiter handelt, glauben die Forscher, dass neue Supraleiter durch ihre allgemeine Methode erzeugt werden können. 

Bekämpfung von Dekohärenz und Leistungsverbesserung

Ein weiterer Durchbruch im Quantencomputing kam Anfang dieses Jahres, als Forscher einen neuen Ansatz für supraleitende Schaltkreise vorstellten. Dieser Ansatz hat das Potenzial, die Laufzeit eines Quantencomputers erheblich zu verlängern. 

Wie bereits erwähnt, wird der Dauerbetrieb eines solchen Computers unterbrochen, weil der Quantenzustand eines Qubits leicht destabilisiert werden kann. Dies wird Dekohärenz genannt und führt zu Rechenfehlern. Dies geschieht durch Wechselwirkungen mit anderen Qubits und ihrer Umgebung. 

Und weil supraleitende Qubits das Umschalten zwischen verschiedenen Zuständen in kürzester Zeit ermöglichen, stehen sie im Fokus zunehmender Forschung. Obwohl sie die Schaltzeit verbessern können, sind sie gleichzeitig anfälliger für Dekohärenz bereits nach wenigen Millisekunden. 

Daher schlug eine internationale Forschergruppe ein Josephson‑Knoten‑Design vor, das als „flowermon“ bezeichnet wird. Dieses Design verwendet zwei ein‑Atom‑dicke Kupferoxid‑Flakes, ein auf Kupfer basierendes supraleitendes Material. 

“Der Flowermon modernisiert die alte Idee, unkonventionelle Supraleiter für geschützte Quanten‑Schaltkreise zu verwenden, und kombiniert sie mit neuen Fertigungstechniken sowie einem neuen Verständnis der Kohärenz supraleitender Schaltkreise.”

– Uri Vool, Physiker am Max‑Planck‑Institut für Chemische Physik der Festkörper in Deutschland

Laut den Berechnungen des Teams kann ihr Design das Rauschen reduzieren und damit die Kohärenzzeit von Qubits um Größenordnungen erhöhen. Es war jedoch rein theoretisch, und das Team plant, die Ergebnisse zu nutzen, um supraleitende Qubits künftig zu optimieren. 

Um die Leistung von Quantencomputern anzugehen, entwickelte im vergangenen Jahr ein Forscherteam der University of Minnesota Twin Cities zudem eine abstimmbare supraleitende Diode, die nicht nur beim Skalieren von Quantencomputern helfen, sondern auch KI‑Systeme verbessern kann. 

Eine Diode ist ein Bauteil, das den Stromfluss in eine Richtung ermöglicht. Während sie üblicherweise aus Halbleitern hergestellt wird, untersuchen Forscher die Herstellung von Dioden aus Supraleitern, die einen Energieübertrag ohne Leistungsverlust ermöglichen. 

Der leitende Forschungsautor Vlad Pribiag, außerordentlicher Professor an der University of Minnesota School of Physics and Astronomy, bemerkte: 

“Wir wollen Computer leistungsfähiger machen, aber es gibt einige harte Grenzen, die wir mit unseren aktuellen Materialien und Fertigungsmethoden bald erreichen werden.”

Die größte Herausforderung bei der Steigerung der Rechenleistung ist die Energieabgabe, daher entschied sich das Team für den Einsatz supraleitender Technologien. 

Das supraleitende Dioden‑Gerät wurde mit drei Josephson‑Knoten gebaut. Während es durch das Einlegen von Stücken nicht‑supraleitenden Materials zwischen Supraleiter hergestellt wurde, hatten die Forscher hier die Supraleiter mit Schichten von Halbleitern verbunden. 

Dieses einzigartige Design ermöglichte es den Forschern, das Verhalten des Geräts mittels Spannung zu steuern. Es kann zudem mehrere elektrische Signale gleichzeitig verarbeiten, im Gegensatz zu herkömmlichen Dioden, die jeweils nur einen Eingang und Ausgang handhaben. Diese Eigenschaften könnten die supraleitende Diode sogar im gehirninspirierten neuromorphen Computing einsetzen. 

Im neuromorphen Computing werden elektrische Schaltkreise so gestaltet, dass sie die Funktionsweise von Neuronen im menschlichen Gehirn nachahmen, um die Leistung zu steigern. 

Laut Mohit Gupta, dem Erstautor des Papiers, ist diese neue supraleitende Diode energieeffizienter als andere supraleitende Dioden. Konkret kommt sie zum ersten Mal mit einer Reihe von Schaltern, um den Energiefluss zu steuern. Diese Funktion war bisher in keiner supraleitenden Diode integriert, aber diese Studie hat gezeigt, dass man Schalter hinzufügen und elektrische Felder anwenden kann, um diesen Effekt zu justieren. 

Zudem war das in dieser Forschung verwendete Material industrie‑freundlicher und konnte neue Funktionalitäten bieten. 

Die in dieser Studie verwendete Technik kann zudem mit jedem Supraleiter eingesetzt werden, was sie hochflexibel und mit industriellen Anwendungen kompatibel macht. Diese Eigenschaften können helfen, die Entwicklung von Quantencomputern für eine breitere Nutzung zu skalieren. 

“Derzeit sind alle vorhandenen Quantencomputermaschinen im Vergleich zu den Anforderungen realer Anwendungen sehr grundlegend. Eine Skalierung ist notwendig, um einen Computer zu haben, der leistungsfähig genug ist, um nützliche, komplexe Probleme zu bewältigen.”

– Pribiag 

Dies hat heute besondere Bedeutung, da die Nutzung von KI stark zunimmt. Dies hat dazu geführt, dass Menschen Algorithmen für Computer oder KI‑Maschinen erforschen, die die Leistung klassischer Computer übertreffen können. Diese Studie, so Pribiag, entwickelt die Hardware, um Quantencomputer in die Lage zu versetzen, diese Algorithmen umzusetzen. 

Die Forschung wurde hauptsächlich vom United States Department of Energy finanziert, mit teilweiser Unterstützung der National Science Foundation und Microsoft Research. 

Verkleinerung von Qubits mit 2D‑Materialien ohne Beeinträchtigung der Leistung

Fortgesetzte Forschung und Entwicklung haben dazu geführt, dass Wissenschaftler supraleitende Qubits bauen, die weitaus kleiner sind als herkömmliche Qubits. Diese supraleitenden Qubits wurden mit 2D‑Materialien hergestellt. 

Um die Geschwindigkeit und Kapazität klassischer Computer zu übertreffen, müssen die Qubits von Quantencomputern auf derselben Wellenlänge liegen. Um dies zu erreichen, müssen Forscher in der Regel die Größe dieser Qubits opfern, die selbst heute in Millimetern gemessen werden, im Gegensatz zu ihren klassischen Gegenstücken, deren Transistoren bereits auf Nanometergröße geschrumpft sind. 

Um die Größe von Qubits zu reduzieren, sodass sie keinen großen physischen Fußabdruck haben und gleichzeitig ihre Leistung beibehalten, zeigte James Hone, Wang Fong‑Jen Professor für Maschinenbau an der Columbia University, einen wirklich kleinen supraleitenden Qubit‑Kondensator. 

Bisher nutzten Ingenieure planare Kondensatoren zum Bau von Qubit‑Chips. Hier werden geladene Platten nebeneinander angeordnet, und obwohl sie gestapelt werden könnten, um Platz zu sparen, würde dies die Speicherung von Qubit‑Informationen beeinträchtigen. 

Daher schichteten Hone’s Doktoranden Anjaly Rajendra und Abhinandan Antony eine Isolatorschicht aus Bornitrid zwischen zwei geladene Platten aus supraleitendem Niobium‑Diselenid ein. Nur ein Atom dick, werden diese Schichten durch Van‑der‑Waals‑Kräfte, einer schwachen Wechselwirkung zwischen elektrostatischen Kräften, zusammengehalten. 

Die Kondensatoren wurden anschließend mit Aluminium‑Schaltkreisen zu einem Chip kombiniert. Dieser Chip enthielt zwei Qubits und war nur 35 Nanometer dick, also 1.000‑mal kleiner als bei herkömmlichen Verfahren hergestellte. 

Beim Abkühlen erreichten die Qubits dieselbe Wellenlänge. Es wurde zudem beobachtet, dass sie verschränkt wurden und als Einheit agierten. Diese Quanten‑Kohärenz, obwohl nur kurzlebig (etwas mehr als eine Mikrosekunde), bedeutet, dass der Quantenzustand des Qubits mittels elektrischer Impulse manipuliert und ausgelesen werden kann. Laut Hone:

“Wir wissen jetzt, dass 2D‑Materialien der Schlüssel zur Realisierung von Quantencomputern sein könnten. Es ist noch sehr früh, aber solche Erkenntnisse werden Forscher weltweit dazu anregen, neuartige Anwendungen von 2D‑Materialien zu prüfen. Wir hoffen, dass in dieser Richtung künftig viel mehr Arbeit entsteht.”

Dank ihrer einzigartigen Struktur haben zweidimensionale (2D) Quantenmaterialien einen bedeutenden Durchbruch in der Materialwissenschaft markiert. Im Gegensatz zu 3D‑Materialien sind 2D‑Quantenmaterialien nur ein oder wenige Atome dick, und Elektronen können sich in allen drei Richtungen bewegen. 

Einige beliebte 2D‑Materialien sind Silicene, Graphen, Germanen, Stanen, Phosphoren, Übergangs‑Metall‑Dichalcogenide (TMDCs) und hexagonales Bornitrid (h‑BN). 

Obwohl diese Materialien vielfältige Eigenschaften und Potenzial für transformative technologische Anwendungen bieten, stehen sie vor Herausforderungen hinsichtlich Synthese, Integration und Skalierbarkeit, die überwunden werden müssen, bevor ihr volles Potenzial realisiert werden kann. 

Wichtige Unternehmen, die die Quantencomputing‑Revolution anführen

Werfen wir nun einen Blick auf einige prominente Unternehmen, die an Supraleitern und Quantencomputing beteiligt sind: 

#1. Alphabet (Google)

Alphabet ist stark in die Quantencomputing‑Forschung über seine Tochtergesellschaft Google Quantum AI investiert. Die Sparte hat einen supraleitenden Quantenprozessor namens Sycamore entwickelt, der 2019 eine Berechnung in 200 Sekunden abschloss, die sonst 10.000 Jahre eines leistungsstarken Supercomputers gedauert hätte. Seitdem ist der Sycamore‑Quantenprozessor erheblich gewachsen und verfügt jetzt über 70 Qubits, was ihn 241 Millionen‑mal robuster macht als sein vorheriges Modell. 

Der Technologieriese hat eine Marktkapitalisierung von 2,06 Billionen $, und seine Aktien (GOOGL:NASDAQ) werden zu 165,68 $ gehandelt, ein Anstieg von 18,56 % im Jahresverlauf. Im zweiten Quartal 2024 meldete Alphabet einen Anstieg des Nettogewinns um 28,6 % auf 23,6 Mrd. $, während der Gesamtumsatz um 14 % auf 84,74 Mrd. $ wuchs. Der Google‑Mutterkonzern kündigte zudem eine Bardividende von 0,20 $ pro Aktie an. 

#2. NVIDIA Corporation

NVIDIA erforscht Quantencomputing und Supraleiter durch Partnerschaften und Kooperationen. Im März dieses Jahres kündigte das Unternehmen die Beschleunigung seiner Quantencomputing‑Initiativen an nationalen Supercomputing‑Standorten in Deutschland, Japan und Polen mit der Open‑Source‑Plattform NVIDIA CUDA‑Q™ an. 

Der KI‑Liebling des Marktes, NVIDIA‑Aktien haben in diesem Jahr eine großartige Entwicklung erlebt, wie ihr Anstieg um 161,24 % im Jahr 2024 zeigt. Dieser Aufschwung hat die NVDA‑Aktien bei 129,45 $ gehandelt, wodurch die Marktkapitalisierung des Unternehmens 3,188 Billionen $ beträgt. Der Chiphersteller meldete ein Rekord‑Q1 2024 mit einem Umsatz von 22,1 Mrd. $. 

Fazit

Forscher, Organisationen und Unternehmen weltweit arbeiten daran, das Quantencomputing voranzubringen, das bei der Lösung komplexer Probleme glänzt. Der Fokus auf supraleitende Technologie trägt insbesondere dazu bei, bedeutende Fortschritte zu erzielen und uns der Verwirklichung des vollen Potenzials dieser transformativen Technologie näher zu bringen. 

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