Das reinste Silizium der Welt

Seit vielen Jahren sind Quantencomputer ein großes Forschungsgebiet, in das viel Zeit und Geld gesteckt wird. Doch Rechenleistung und Fehlerquote bisheriger Modelle lassen noch zu wünschen übrig. Unter anderem das Material ist eine der Baustellen, denn es muss sehr rein sein. Einer Forschungsgruppe ist es jetzt gelungen, das bisher reinste Silizium herzustellen. Wie sie im Fachmagazin „Communication Materials“ berichten, könnten sich damit Quantencomputer im großen Maßstab bauen lassen.

Quantencomputer basieren auf Qubits – dem Pendant zu Bits in herkömmlichen Computern. Sie sind das Maß für Datenmengen, können jedoch deutlich mehr Zustände speichern. Ein Quantencomputer aus zehn Qubits hat die gleiche Rechenleistung wie ein herkömmlicher Computer mit 1024 Bits. Forschende schätzen, dass für einen voll funktionsfähigen Quantencomputer etwa eine Million Qubits nötig sind. Der aktuelle Rekord liegt allerdings bei lediglich 1121 Qubits.

Damit Qubits Informationen langfristig speichern können, benötigen sie eine stabile Umgebung. Schon kleine Veränderungen – etwa im Material – können zu Datenverlusten führen. Als Material für Qubits eignet sich Silizium, auf dem auch herkömmliche Computerchips basieren. Jedoch kommt natürliches Silizium in drei verschiedenen Varianten mit unterschiedlich vielen Neutronen im Atomkern vor: den Isotopen ²⁸Si, ²⁹Si und ³⁰Si. Eines davon, nämlich ²⁹Si, ist allerdings für Qubits ungeeignet, weil ein Effekt des Kernspins darin dafür sorgen kann, dass Qubits Daten verlieren.

Vorbereitung des Siliziums im Labor

Auf dem Weg zu isotopenreinem Silizium

Das Team um Ravi Acharya von der University of Manchester und University of Melbourne wollte nun ²⁸Si so rein wie möglich herstellen. Dazu beschossen sie natürliches Silizium, das zu 92,3 % aus ²⁸Si, zu 4,7 % aus ²⁹Si und zu 3 % aus ³⁰Si besteht, mit einem fokussierten Strahl aus ²⁸Si. Im besten Versuchsdurchlauf bestand ihre Probe nach dieser Prozedur zu 99,99971 % aus ²⁸Si.

Das so angereicherte Material ist zwar nicht komplett rein. Der Anteil von ²⁹Si mit 0,00023 % und von ³⁰Si mit 0,00006 % ist jedoch verschwindend gering und macht das Material zum bislang reinsten Siliziumisotop der Welt. Im nächsten Schritt wollen die Forschenden zeigen, dass sie mit ihrem hochreinen Silizium viele Qubits gleichzeitig verwenden können. Damit wollen sie den Weg für verlässliche Quantencomputer im großen Maßstab ebnen.