Two-Dimensional Materials toward CMOS-Compatible Scalable Quantum Hardware

Das Streben nach dem Bau eines Quantencomputers ist weniger eine Frage der Erfindung einer neuen Art von Maschine als vielmehr die Lösung eines Problems extremer Zerbrechlichkeit. Das Herzstück dieser Maschinen sind Qubits, die winzigen Informationseinheiten, die – im Gegensatz zu den einfachen Ein/Aus-Schaltern eines Standardcomputers – in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren können. Um zu funktionieren, müssen diese Qubits in einem Zustand perfekter Ordnung gehalten werden, isoliert von der geringsten Vibration, Hitze oder elektrischen Rauschen. In der realen Welt sind die Materialien, die zum Bau verwendet werden, jedoch selten perfekt. Sie enthalten mikroskopische Unvollkommenheiten, raue Kanten und chemische Rückstände aus dem Herstellungsprozess, die wie statisches Rauschen auf einer Funkleitung wirken und die empfindlichen Informationen zerstören, noch bevor sie genutzt werden können. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler versucht, diese Oberflächen zu glätten und diese Materialien zu reinigen, doch bereits der Akt des Baus eines komplexen Chips führt oft neue Fehler ein, die den Quantenzustand vernichten.

Eine neue Perspektive von Forschern der Eindhoven University of Technology legt nahe, dass die Lösung in einer anderen Art von Material liegen könnte: zweidimensionalen Kristallen. Dies sind Substanzen, die nur eine einzige Atomlage dick sind, wie ein Blatt Papier, das einen Atom tief ist. Da sie so dünn und ihre Kanten von Natur aus sauber sind, bieten sie einen Weg, Quantengeräte zu bauen, ohne die unordentlichen, rauen Grenzflächen, die herkömmliche Materialien plagen. Die Forscher stellen eine praktische Frage: Können die industriellen Methoden, die bereits entwickelt werden, um diese ultradünnen Schichten in Computerchips der nächsten Generation einzubringen, auch verwendet werden, um die Quantenprozessoren der Zukunft zu bauen? Die Antwort ist noch kein einfaches Ja, aber der Weg nach vorne wird deutlicher. Das Team hat kartografiert, wo diese Materialien derzeit funktionieren, wo sie versagen und welche Experimente als Nächstes genau durchgeführt werden müssen, um Laborkuriositäten in eine massenproduzierbare Technologie zu verwandeln.

Die Reise von einem einzelnen, handmontierten Gerät zu einem fabrikmäßig hergestellten Quantenprozessor ist voller Hürden. In einem Labor kann ein Wissenschaftler vorsichtig eine winzige Flocke eines zweidimensionalen Materials von einem größeren Kristall abziehen und sie unter einem Mikroskop mit einer anderen Flocke stapeln, um ein einzelnes Qubit zu erzeugen. Das funktioniert für ein oder zwei Geräte, aber es lässt sich nicht skalieren. Um einen Computer mit Tausenden von Qubits zu bauen, muss der Prozess reproduzierbar, einheitlich und kompatibel mit den riesigen Fabriken sein, die derzeit Siliziumchips herstellen. Die Forscher weisen darauf hin, dass wir zwar beeindruckende Ergebnisse mit einzelnen zweidimensionalen Qubits gesehen haben, aber noch nicht gesehen haben, wie sie zusammen in großen, zuverlässigen Arrays funktionieren. Die Lücke zwischen einem erfolgreichen Einzelexperiment und einem herstellbaren Produkt ist groß und sie ist gefüllt mit Problemen wie chemischen Rückständen, die durch den Herstellungsprozess hinterlassen werden, Blasen, die zwischen den Schichten eingeschlossen sind, und Variationen im Material, die von einem Punkt auf einem Wafer zum anderen variieren.

Um zu verstehen, wo wir stehen, haben die Autoren die aktuelle Forschung in vier verschiedene Kategorien unterteilt. Erstens gibt es die vollständig demonstrierten Qubits, bei denen Wissenschaftler erfolgreich den Quantenzustand vorbereitet, gesteuert und das Ergebnis ausgelesen haben. Zweitens gibt es demonstrierte Komponenten, also Teile eines Schaltkreises, die wie vorgesehen funktionieren, aber noch nicht zu einem vollständigen Qubit kombiniert wurden. Drittens gibt es physikalische Phänomene, bei denen die zugrunde liegende Wissenschaft bewiesen ist, aber noch kein Gerät gebaut wurde, um sie zu nutzen. Schließlich gibt es vorgeschlagene Konzepte, also Ideen auf dem Papier, die noch nicht getestet wurden. Diese Sortierung zeigt, dass wir zwar einige funktionierende Qubits aus diesen Materialien haben, viele der spannendsten Ideen jedoch noch in den Stadien „vorgeschlagen“ oder „Komponente“ verharren. Beispielsweise haben Wissenschaftler einen supraleitenden Schaltkreis mit einem Kondensator aus einem zweidimensionalen Material gebaut, der einen Quantenzustand für eine beträchtliche Zeit halten kann, aber sie haben noch nicht gezeigt, dass dies konsistent über einen ganzen Fabrikwafer hinweg möglich ist.

Einer der vielversprechendsten Bereiche umfasst die Verwendung dieser atomar dünnen Schichten, um bessere Grenzflächen für supraleitende Schaltkreise zu schaffen. In herkömmlichen supraleitenden Qubits ist die Barriere zwischen zwei Metallschichten oft ein raues, ungeordnetes Oxid, das die Quanteninformation zum Zerfall bringt. Durch den Ersatz dieser Barriere durch einen perfekt flachen, zweidimensionalen Kristall haben Forscher Übergänge geschaffen, die viel sauberer sind. Sie haben gezeigt, dass diese neuen Übergänge Elektrizität ohne Widerstand transportieren können und durch elektrische Gates steuerbar sind, was ein Maß an Kontrolle bietet, das zuvor schwer zu erreichen war. Das Paper betont jedoch, dass, obwohl diese Einzelgeräte funktionieren, der statistische Beweis fehlt. Wir wissen noch nicht, ob jeder Übergang auf einer großen Fläche auf die gleiche Weise funktioniert oder ob der Prozess der Herstellung verborgene Fehler einführt, die erst auftreten, wenn Tausende von ihnen miteinander verbunden sind.

Ein weiterer wichtiger Weg ist die Nutzung von zweidimensionalen Materialien, um einzelne Elektronen einzufangen und zu steuern, die als Spin-Qubits fungieren. In diesen Geräten hält der Spin des Elektrons – eine Eigenschaft, die einem winzigen Magneten ähnelt – die Information. Die Forscher heben hervor, dass Materialien wie Bilayer-Graphen diese Elektronen so effektiv einsperren können, dass ihr Spin sehr lange anhält. Insbesondere zeigte ein Single-Hole-Device in Bilayer-Graphen eine Spin-Valley-Relaxationszeit von 38 Sekunden bei extrem niedrigen Temperaturen. Dies ist eine bemerkenswerte Leistung, die darauf hindeutet, dass das Material selbst sehr ruhig ist und das Elektron nicht stört. Dennoch bleibt die Herausforderung bestehen, diesen Einzelerfolg auf einen großen Chip zu replizieren. Die aktuellen Experimente beruhen auf kleinen, sorgfältig ausgewählten Materialstücken, und es ist unklar, ob dieselbe Leistung erzielt werden kann, wenn das Material in großem Maßstab gezüchtet und maschinell statt von Hand verarbeitet wird.

Es gibt auch eine einzigartige Chance durch zweidimensionale Materialien, Qubits zu erschaffen, die durch Licht gesteuert werden können. Bestimmte Defekte, oder fehlende Atome, in einem Kristall namens hexagonalem Bornitrid können als Quantenbit fungieren, das mittels Lasern gelesen und geschrieben werden kann, selbst bei Raumtemperatur. Dies ist eine seltene und wertvolle Eigenschaft, da die meisten Quantensysteme nahe dem absoluten Nullpunkt funktionieren müssen. Die Forscher haben spezifische Defekte identifiziert, die auf diese Weise kontrolliert werden können, aber die Arbeit steckt noch in den Anfängen. Das Ziel ist es, einen Weg zu finden, diese Defekte genau dort zu erzeugen, wo sie benötigt werden, in großen Mengen, und sicherzustellen, dass sie alle gleichartig reagieren. Derzeit ist die Fähigkeit, diese Defekte mit Präzision zu platzieren und eine hohe Ausbeute an nutzbaren Defekten zu erzielen, der Hauptengpass.

Der Weg nach vorne erfordert einen Wechsel von der Betrachtung einzelner, perfekter Geräte hin zur Betrachtung der Statistik vieler Geräte. Das Paper argumentt, dass der nächste entscheidende Schritt darin besteht, zu messen, wie diese Materialien über einen gesamten Fabrikwafer hinweg abschneiden. Das bedeutet, nicht nur zu prüfen, ob ein Qubit funktioniert, sondern ob hundert von ihnen funktionieren und ob sie alle auf die gleiche Weise funktionieren. Es beinhaltet die Entwicklung neuer Wege, um die Qualität des Materials und des Herstellungsprozesses zu messen, ohne das Gerät zu zerstören. Die Forscher schlagen einen Testzyklus vor, bei dem Daten von der Fabrik direkt mit der Leistung des Quantengeräts verknüpft werden. Wenn ein spezifischer Schritt im Herstellungsprozess zu einem Leistungsabfall führt, muss dieser Schritt identifiziert und behoben werden. Diese Art des rigorosen, datengesteuerten Ansatzes ist es, was einen wissenschaftlichen Kuriosum von einer skalierbaren Technologie unterscheidet.

Die Autoren blicken auch auf drei spezifische Konzepte, die nur mit diesen zweidimensionalen Materialien realisiert werden könnten. Das erste beinhaltet das Einfügen von Seltenerd-Ionen in die Lücken zwischen den Kristallschichten, um neue Arten von Qubits zu erzeugen. Die zweite Idee nutzt das einzigartige Verwinden (Twisting) der Schichten, um eine spezielle Art von elektrischer Verbindung zu schaffen, die als Qubit fungieren kann, ohne externe Magnetfelder zu benötigen. Das dritte Konzept nutzt das Muster, das durch das Verwinden zweier Materialschichten entsteht, um ein mehrstufiges Quantensystem zu kreieren, das potenziell mehr Informationen speichern kann als ein Standard-Qubit. Während diese Ideen theoretisch fundiert und durch einige experimentelle Belege gestützt sind, bleiben sie unbewiesen. Das Paper stellt klar, dass dies keine fertigen Produkte sind, sondern vielmehr Forschungsrichtungen für die Zukunft, die mit derselben Strenge getestet werden müssen wie die aktuellen Technologien.

Letztendlich liegt der Wert dieser Materialien nicht darin, die bestehende Silizium-basierte Technologie zu ersetzen, sondern spezifische Funktionen hinzuzufügen, die mit herkömmlichen Methoden schwierig oder unmöglich zu erreichen sind. Sie bieten einen Weg, das Rauschen zu reduzieren, das Quanteninformationen zerstört, einen Weg, die Steuer-Elektronik direkt neben den Qubits zu integrieren, und einen Weg, um sauberere und besser kontrollierbare Grenzflächen zu schaffen. Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass das Potenzial real ist, aber es ist an Bedingungen geknüpft. Die Vorteile werden nur realisiert, wenn die Herstellungsprozesse verfeinert werden können, um konsistente, hochwertige Geräte zu produzieren. Bis dahin muss der Fokus darauf liegen, zu beweisen, dass diese Materialien zuverlässig funktionieren können – nicht nur in einem einzelnen Experiment, sondern in der riesigen, komplexen Umgebung eines Quantenprozessors. Die Geschichte der zweidimensionalen Quantenhardware wird noch geschrieben, und das nächste Kapitel hängt von der Fähigkeit ab, einige erfolgreiche Labordemonstrationen in eine zuverlässige, skalierbare Industrie zu verwandeln.