Wissenschaftler haben das „reinste Silizium der Welt“ hergestellt. Kommen Quantencomputer wirklich?

Am 7. Mai 2024 veröffentlichten Forscher der University of Manchester in Großbritannien und der University of Melbourne in Australien eine bahnbrechende Studie in der Zeitschrift Nature Communications Materials. Sie verwendeten die Technologie des fokussierten Ionenstrahls (FIB), um „ultrareines Silizium“ mit hoher Anreicherung von 28Si herzustellen. Diese Entdeckung bietet eine neue Möglichkeit, leistungsstarke Qubit-Geräte mit skalierbaren Quantencomputern zu bauen und legt damit den Grundstein für die Realisierung einer stabilen Quantencomputerplattform.

(Quelle: Screenshot der offiziellen Website von Nature Communications Materials)

Obwohl Forschungsergebnisse im Bereich des Quantencomputings oft undurchsichtig und schwer verständlich sind, tauchen Quantencomputer und Quantenkonzepte im Leben häufig auf (zum Beispiel das berühmte Mem: Im Zweifelsfall wird auf die Quantenmechanik zurückgegriffen).

Was genau ist Quantencomputing? Sind Quantencomputer wirklich möglich? Ist es möglich, sie anhand von Konzepten aus dem wirklichen Leben zu verstehen? Um jedem ein vorläufiges Verständnis des Quantencomputings zu vermitteln, werden wir unser Bestes tun, um in allgemeinverständlicher und konkreter Sprache mit Ihnen über einige Dinge zum Thema Quantencomputing zu sprechen.

Welche Probleme lösen Quantencomputer?

Im Gegensatz zur klassischen Informatik folgt die Quanteninformatik den Gesetzen der Quantenmechanik. Es handelt sich um ein neues Computermodell, das den Engpass der klassischen Rechenleistung durchbrechen kann. Quantencomputer verwenden Quantenbits als grundlegende Recheneinheiten . Von den klassischen Bits werden die sogenannten Quantenbits unterschieden.

Die Entwicklung des Quantencomputings (Quelle: IBM)

Die obigen Sätze scheinen möglicherweise schwer verständlich, deshalb wollen wir sie Satz für Satz aufschlüsseln.

Quantencomputing. Wenn wir diesen Begriff mit dem Wort „Quanten“ im Titel sehen, ist es schwer, ihn nicht mit der Quantenmechanik zu assoziieren. Natürlich unterscheidet sich diese Art des Rechnens, die auf den Prinzipien der Quantenmechanik basiert, grundlegend vom traditionellen klassischen Rechnen.

Insbesondere in der klassischen Informatik werden Informationen durch Binärziffern (Bits) dargestellt, die entweder 0 oder 1 sind, ähnlich einem „Schalter“ mit nur zwei Zuständen: an und aus. Das Quantencomputing bricht jedoch mit dieser Tradition. Informationen werden auf eine andere Weise dargestellt, nämlich durch Quantenbits (Qubits), die sich gleichzeitig im Zustand 0 und 1 befinden können, also in einem Überlagerungszustand (hier kann man sich auf Herrn Schrödingers magische Katze beziehen, die sowohl tot als auch lebendig ist).

Darüber hinaus kann es zwischen Quantenbits eine besondere Verbindung geben, die sogenannte Quantenverschränkung , die eher einem „Schalterknopf“ gleicht, der mehrere Zustände annehmen kann.

Dank ihrer einzigartigen Eigenschaften sind Quantencomputer in der Lage, Quantenbits für Berechnungen zu verwenden, und ihre Rechenleistung kann exponentiell steigen (das liegt daran, dass r Quantenbits eine Überlagerung von 2r Zuständen tragen können, wodurch bei jeder Berechnung die 2r-fache Rechenleistung erreicht wird. Im Gegensatz dazu benötigt ein klassischer Computer 2r klassische Bits, um die gleiche Rechenleistung zu erreichen).

Daher eignen sich Qubits besser für die Berechnung bestimmter mathematischer Probleme, was bedeutet, dass Quantencomputer zahlreiche Bereiche überschreiten und neu gestalten können und dabei die Grenzen durchbrechen können, die derzeit alles behindern, was mit Quantenmechanik zu tun hat.

Sind Quantencomputer möglich?

Zur Realisierung von Quantencomputern werden derzeit gängige Technologien wie Supraleitung, Ionenfallen, Halbleiter, Optik, Quantentopologie usw. eingesetzt (unter diesen entwickeln sich Supraleitung und Ionenfallen am schnellsten). Derzeit hat jeder technische Weg seine Vor- und Nachteile und kein Weg kann die Anforderungen der praktischen Anwendung vollständig erfüllen.

Die wichtigsten technischen Wege zur Realisierung von Quantencomputing (Quelle: „2023 Global Quantum Computing Industry Development Outlook“)

Quantencomputer verwenden Quantenverhältnisse, um Binärbits in herkömmlichen Computern zu ersetzen, und erreichen durch Quantensuperposition und Quantenverschränkung einen Sprung in der Rechenleistung.

Das Konzept des Quantencomputers lässt sich bis in die 1980er Jahre zurückverfolgen, als der amerikanische Physiker Richard Feynman die Idee vorschlug, Quantensysteme zur Simulation anderer Quantensysteme zu verwenden. Im Jahr 1994 schlug der amerikanische Informatiker Peter Shor einen Quantenalgorithmus vor, mit dem große Zahlen effizient faktorisiert werden können. Dieser Algorithmus demonstrierte die potenziellen Vorteile von Quantencomputern bei der Lösung spezifischer Probleme.

Die Entwicklungsgeschichte von Quantencomputern (Quelle: Nikkei Chinese Website)

Seit Beginn des 21. Jahrhunderts ist die Entwicklung von Quantencomputern zu einer der größten Herausforderungen an der Spitze der globalen Wissenschaft und Technologie geworden. International renommierte Technologieunternehmen wie IBM, Google, Intel und viele Universitäten haben viele Ressourcen in den Bereich des Quantencomputings investiert.

Im Jahr 2019 entwickelte Google einen 53-Qubit-Computer namens „Linden“, der weltweit erstmals Quantenüberlegenheit erreichte. Sie behaupteten, eine „Quantenhegemonie“ erreicht zu haben (die Leistung von Quantenprozessoren übertraf bei bestimmten Aufgaben die der damals fortschrittlichsten klassischen Supercomputer).

Bemerkenswert ist, dass China auch im Bereich des Quantencomputings erhebliche Fortschritte gemacht hat.

Im Jahr 2020 baute das Team des Akademikers Pan Jianwei von der University of Science and Technology of China einen 76-Photonen-Quantencomputer-Prototyp namens „Jiuzhang“, womit China das zweite Land der Welt wurde, das Quantenüberlegenheit erreichte. Im Jahr 2021 entwickelten das Team und die Mitarbeiter von Akademiker Pan Jianwei erfolgreich die 113-Photonen-Quantencomputer-Prototypen „Jiuzhang-2“ und „Zu Chongzhi-2“ mit 66 Bit und machten China damit zu einem Land, das sowohl im optischen als auch im supraleitenden technischen Bereich Quantenüberlegenheit erreicht hat. Im Jahr 2023 bauten das Team und die Mitarbeiter von Akademiker Pan Jianwei erfolgreich den Prototyp eines 255-Photonen-Quantencomputers namens „Jiuzhang-3“, der bei der Lösung spezifischer mathematischer Probleme 100 Billionen Mal schneller ist als der schnellste Supercomputer der Welt und 1 Million Mal schneller als „Jiuzhang-2“.

Man kann sagen, dass China im Bereich des Quantencomputings eine internationale Führungsposition eingenommen hat.

Was genau ist „ultrareines Silizium“?

Silizium ist ein weit verbreitetes Halbleitermaterial, das in der modernen Elektroniktechnologie breite Anwendung findet. Siliziumbasiertes Quantencomputing ist ein wichtiger Zweig des Quantencomputings, der die Eigenschaften von Siliziummaterialien nutzt, um die Speicherung und den Betrieb von Quantenbits zu realisieren. Insbesondere bei der siliziumbasierten Quantencomputertechnik können Elektronen im Silizium auf winzige Bereiche beschränkt werden und so genannte Quantenpunkte bilden. Diese Quantenpunkte können als Quantenbits zum Speichern und Verarbeiten von Quanteninformationen verwendet werden.

Siliziumbasiertes Quantencomputing hat viele potenzielle Vorteile, darunter die Kompatibilität mit bestehenden Halbleiterprozessen (d. h., die meisten seiner Prozesse sind mit herkömmlichen Halbleiterprozessen kompatibel und lassen sich leicht mit der Halbleiterindustrie verbinden), eine längere Kohärenzzeit (die Zeit, in der Quantenbits ihre Quanteneigenschaften behalten) und Skalierbarkeit (Erhöhung der Anzahl von Quantenbits, um Quantencomputing im großen Maßstab zu erreichen), wodurch sie für das Quantencomputing besser geeignet sind.

Silizium-Quantencomputer sind auf dem Cover von Nature zu sehen. Bildquelle: Nature Magazin

Sowohl für die klassische Datenverarbeitung als auch für die Quantendatenverarbeitung wird hochreines Silizium mit einer regelmäßigen Kristallstruktur benötigt. Dies liegt daran, dass amorphes Silizium voller loser Bindungen, Sauerstoffmoleküle und anderer Verunreinigungen ist, was zu schlechten elektrischen Eigenschaften führt.

Bei der direkten Gewinnung von Silizium aus der Natur gibt es jedoch ein Problem, das nicht ignoriert werden kann: Es enthält drei stabile Isotope: Silizium-28 (28Si), Silizium-29 (29Si) und Silizium-30 (30Si). Davon macht Silizium-29 etwa 4,68 % des Siliziums aus und sein Atomkern weist einen von Null verschiedenen Kernspin auf, der durch Dipolwechselwirkungen mit dem Elektronenspin interferiert, der zur Kodierung von Quantenbits verwendet wird. Silizium-30 macht nur 3,09 % des Siliziums aus, sein Gehalt ist gering und die Wechselwirkung zwischen Elektronenspin und Kernspin ist groß. Dies macht Silizium-28 zum einzigen Material, das als ideal und rein für Quantencomputer gilt. Daher ist die Minimierung der Auswirkungen von Silizium-29 und Silizium-30 der Schlüssel zur Verbesserung der Leistung von Quantencomputern.

Um dieses Problem zu lösen, verwendete das Forschungsteam die Technologie fokussierter Ionenstrahlen, um einen fokussierten Hochgeschwindigkeitsstrahl aus reinen Silizium-28-Ionen aus einem fokussierten Ionenstrahlsystem namens P-NAME auf den Silizium-Wafer zu schießen. Durch die Implantation von Silizium-28 wurde das Silizium-29 im natürlichen Silizium verbraucht, wodurch der Anteil von Silizium-29 von 4,68 % auf maximal 0,00023 % (2,3 ppm) und der Anteil von -30 von 3,09 % auf maximal 0,00006 % (0,6 ppm) reduziert wurde.

Anschließend rekristallisierten sie den implantierten amorphen Zustand durch einen zweistufigen Glühprozess und stellten so die Kristallstruktur des Silizium-Wafers wieder her. Mit dieser Technik wird nicht nur diese extreme Anreicherung von Silizium-28 erreicht, sondern auch die Einführung anderer Verunreinigungen vermieden, die die Qubits beeinträchtigen könnten.

Schematische Darstellung der Isotopenanreicherung von Si-28 durch fokussierten Ionenstrahl (Quelle: Nature Communications Materials)

Um den Implantationseffekt zu überprüfen, verwendeten die Forscher eine Nanoskalen-Sekundärionen-Massenspektrometrie (NanoSIMS), eine Technik, mit der das Verhältnis verschiedener Isotope in einer Probe genau gemessen werden kann. Durch Analysen bestätigten die Forscher, dass die Restkonzentration von Silizium-29 im implantierten Bereich deutlich reduziert war und keine zusätzlichen Verunreinigungen wie Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O) eingeführt wurden. Darüber hinaus bestätigte die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)-Analyse die amorphe Natur des implantierten Volumens sowie die epitaktische Rekristallisation der einkristallinen Phase nach dem Tempern. Diese Ergebnisse zeigen, dass sich mit der Technologie fokussierter Ionenstrahlen hochreine, mit Silizium-28 angereicherte Bereiche in Silizium-Wafern erzielen lassen, was die Stabilität von Quantenbits gewährleistet.

Das mit dieser Technologie produzierte „ultrareine Silizium“ dürfte in Bereichen wie neuem Materialdesign, künstlicher Intelligenz, Energiespeicherung und Logistikfertigung revolutionäre Veränderungen für die gesamte Gesellschaft mit sich bringen. Professor David Jamieson, Co-Betreuer des Projekts und Mitarbeiter der Universität Melbourne, sagte, der nächste Schritt werde darin bestehen, zu zeigen, dass das Material die Quantenkohärenz in vielen Qubits gleichzeitig aufrechterhalten könne.

Diese herausragende Arbeit demonstriert nicht nur die Fortschritte der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf dem Gebiet der Quantenmaterialpräparation, sondern ebnet auch den Weg für die praktische Anwendung und Skalierung des Quantencomputings. Da sich die Quantentechnologie weiterentwickelt, haben wir Grund zu der Annahme, dass Quantencomputer unsere Welt in den nächsten Jahrzehnten völlig verändern werden.

Verweise

[1] Quantencomputing

Quelle: Baidu-Enzyklopädie, Projekt zum Verfassen von Einträgen in der wissenschaftlichen Enzyklopädie „Science Popularization China“ und zur Bewerbung

[2] Google veröffentlicht ein Papier, in dem behauptet wird, „Quantenüberlegenheit“ erreicht zu haben! 200 Sekunden Rechenzeit entsprechen 10.000 Jahren Rechenzeit des leistungsstärksten Supercomputers

Quelle: Öffentliches WeChat-Konto FX168, Hexun.com

[3] Akademiker Yao Qizhi: Was ist der Unterschied zwischen dem mysteriösen Quantencomputing und dem klassischen Computing?

Quelle: Kolumne „Science Masters“ von Sina Technology

[4] USTC hat den optischen Quantencomputer-Prototyp „Jiuzhang-3“ realisiert

Quelle: Nachrichten der China University of Science and Technology

[5] Die Genauigkeit von Silizium-Quantencomputern hat einen großen Durchbruch erzielt und erreicht über 99 %

Quelle: Das Papier

[6]Hochgradig 28Si-angereichertes Silizium durch lokalisierte fokussierte Ionenstrahlimplantation

Quelle: Offizielle Website von Nature Communications Materials

Planung und Produktion

Produziert von Science Popularization China

Autor: Wu Junjie, PhD in Materialphysik und Chemie

Produzent: China Science Expo

Herausgeber: Yang Yaping

Korrekturgelesen von Xu Lai und Lin Lin