Ein Konzept von Forschern der Universität Warwick könnte dazu beitragen, eine der größten Herausforderungen beim Bau groß angelegter Quantencomputer zu lösen: die Kommunikation zwischen einer großen Anzahl von Quantenbits (Qubits) über große Entfernungen hinweg auf einem einzigen Chip. In einem in „APL Quantum“ veröffentlichten Artikel stellt das Forscherteam der University of Warwick und des NRC Canada das Konzept der „Quantum Phononic Links“ (QPLs) vor: ein neuer Ansatz für die Kommunikation zwischen Qubits. Dabei werden schallähnliche Schwingungen genutzt, die sich durch ein speziell entwickeltes Material ausbreiten, um Quanteninformationen zwischen physikalisch weit voneinander entfernten Qubits zu übertragen.

Bei den derzeit führenden Quantenchips können in der Regel nur benachbarte Qubits direkt miteinander kommunizieren. Um brauchbare Quantencomputer zu bauen, gehen Ingenieure davon aus, dass sie Millionen von Qubits koordinieren müssen, die über einen gesamten Halbleiterchip verteilt sind – und nicht nur Cluster benachbarter Qubits. Der vom Team vorgeschlagene Ansatz besteht darin, Schallschwingungen – sogenannte Phononen – als integriertes Kommunikationssystem zu nutzen, wodurch Qubits Quanteninformationen über weitaus größere Entfernungen austauschen können, als dies derzeit möglich ist. „Eine der größten Herausforderungen im Bereich des Quantencomputings ist die Fernverbindung zwischen Qubits“, erklärte Dr. Maksym Myronov vom Fachbereich Physik der University of Warwick. „Unsere Arbeit stellt ein neues Konzept vor , bei dem Phononen als Quantenbus fungieren und es so ermöglichen, dass weit voneinander entfernte Qubits Quanteninformationen austauschen können, während die volle Kompatibilität mit der Halbleitertechnik gewahrt bleibt.“

Das Konzept basiert auf einem speziellen Material, nämlich unter Druck stehendem Germanium auf Silizium (cs-GoS), das an der Universität Warwick mithilfe verschiedener Epitaxieverfahren entwickelt wurde. In diesem Material reagieren die Qubits besonders empfindlich auf winzige Schwingungen, die durch die dünne Germaniumkristallschicht wandern. Durch die sorgfältige Gestaltung und Steuerung dieser Schwingungen zeigen die Forscher, dass grundsätzlich Quanteninformation zwischen Qubits übertragen werden könnten, unabhängig davon, ob diese nebeneinander liegen oder über einen gesamten Halbleiterchip mit einem Durchmesser von bis zu 300 mm verteilt sind.

Andere Ansätze für Qubit-Verbindungen über große Entfernungen basieren auf Mikrowellen oder extern erzeugten akustischen Oberflächenwellen, was in der Regel komplexe Konstruktionen und zusätzliche, am Chip angebrachte Hardware erfordert. Im Gegensatz dazu werden QPLs direkt in das Halbleitermaterial integriert, in dem sich die Qubits befinden. Da dieser Ansatz mit etablierten Halbleiterfertigungstechniken kompatibel ist, könnte er einen kompakteren, kostengünstigeren und skalierbareren Weg zu zukünftigen kommerziellen Quantenprozessoren bieten.