SiC Exkurs Siliziumkarbid in Quantencomputern

Nicht nur in der Leistungselektronik spielt Siliziumkarbid eine große Rolle. Mobile Quantencomputer werden derzeit auf Basis von Siliziumkarbid entwickelt und könnten dazu beitragen, dass diese vielleicht zukünftig eine breite Akzeptanz und Anwendung finden.

Siliziumkarbid ist bisher primär aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften als Wide Bandgap Halbleiter bekannt. Doch nun könnte das Wundermaterial vielleicht auch in der Computerindustrie breiten Einsatz finden. In Zusammenarbeit mit dem deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt entwickelt die Firma Advanced Quantum einen mobilen Zwei-Qubit-Quantencomputing-Demonstrator.

Der Demonstrator soll hierfür den Festkörperspin in Siliziumkarbid ausnutzen. Was das bedeutet? Hierzu verwendet der Quantencomputer die Spin-Zustände von Elektronen oder Atomkernen in diesem Material als Qubits. Der Spin ist eine intrinsische Eigenschaft der Elektronen, welche man sich vereinfacht wie den Drehimpuls eines Kreisels vorstellen kann. In Quantencomputern wird der Spin genutzt, um Qubits darzustellen. Ein Elektron kann zwei Hauptzustände annehmen: Spin-up und Spin-down. Diese können als 0 und 1 kodiert werden. Durch Superposition können diese Zustände gleichzeitig existieren, was die parallele Verarbeitung vieler Zustände ermöglicht.

Quantencomputer

Logischer Lichtpuls: Physikalisches Qubit enthält Fehlerkorrektur

Welche Eigenschaften im Siliziumkarbid sind hier entscheidend?

• Gute Kontrolle und Manipulation: Die Spinzustände in SiC können durch elektrische und magnetische Felder präzise kontrolliert werden.

• Kohärenzzeiten: Die Spin-Qubits in SiC haben relativ lange Kohärenzzeiten, was bedeutet, dass sie ihre Quantenzustände über längere Zeiträume beibehalten können.

• Kompatibilität: SiC ist kompatibel mit bestehenden Halbleitertechnologien, was die Integration in bestehende elektronische Systeme erleichtert.

Erzeugung und Manipulation

Wichtig für die Nutzung ist, dass man die Zustände auch erzeugen und manipulieren kann. Im SiC nutzt man hierfür Defekte im Kristallgitter aus. Durch Stickstoff- oder Silizium-Vakanz-Zentren, können Spinzustände erzeugt werden. Diese Defekte bieten isolierte Elektronenspin-Zustände, welche dann als Qubits fungieren können. Um die Spin-Zustände zu manipulieren können Mikrowellenstrahlung oder magnetische Felder eingesetzt werden. Durch Anwendung spezifischer Mikrowellenpulse kann der Spin in einen gewünschten Zustand gebracht oder in eine Superposition versetzt werden. Um Quantenverschränkungen und komplexe Berechnungen durchzuführen, müssen dann die Spins miteinander interagieren.

Fehlertoleranz

US-Forscher melden Durchbruch beim Quantencomputing

Messung der Zustände

Um den Zustand zu messen, werden in der Regel optische Methoden eingesetzt. Wechselwirkungen zwischen dem Spin-Zustand der Elektronen und dem Licht (Photonen), erlauben eine optisch Zustandsüberwachung. Hier wird Licht von den Elektronen emittiert oder absorbiert. Indem man die emittierten Photonen sammelt und ihre Eigenschaften analysiert (Photolumineszenz-Spektroskopie), kann man Rückschlüsse auf den ursprünglichen Spin-Zustand des Elektrons ziehen. Beispielsweise kann die Emission bei unterschiedlichen Wellenlängen oder Intensitäten für unterschiedliche Spin-Zustände beobachtet werden. Bei der Fluoreszenz-Detektion hingegen dient die Intensität des emittierten Lichts als Indikator für den Spin-Zustand.

Da Quantencomputer als die Lösung unserer Probleme der Zukunft angepriesen werden, wird es sicher nicht lange dauern, bis andere Hersteller mit Desktop-Lösungen kommen. Dieses Beispiel zeigt, dass es sehr wohl möglich ist, diese Geräte in ein Desktop-Format zu packen.  (mr)

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