Noch 2023 bestand der beste Rechner mit Spin-Qubits aus ganzen zwei Recheneinheiten, die bei bestimmten Messungen etwa jede 25. Operation verpatzten. Drei Jahre später berichten zwei Forschungsgruppen unabhängig voneinander von Fehlerraten um 0,2 Prozent – und von deutlich größeren Chips. Die beiden Ende Juli in »Nature« veröffentlichten Arbeiten holen damit einen Außenseiter zurück ins Rennen um den nützlichen Quantencomputer.

Spin-Qubits speichern Information im Eigendrehimpuls eines einzelnen Elektrons, das in einem winzigen, in Silizium geätzten Potenzialtopf gefangen ist. Der Reiz dieses Konzepts, das Daniel Loss und David DiVincenzo Ende der 1990er Jahre formulierten, liegt in der Fertigung: Wer Qubits aus denselben Materialien und mit denselben Verfahren herstellt wie gewöhnliche Siliziumchips, könnte sie eines Tages millionenfach vervielfältigen. In der Praxis blieb die Plattform jahrelang hinter supraleitenden Schaltkreisen und gefangenen Atomen zurück.

Zwei Engpässe, zwei Antworten

Die neuen Arbeiten greifen genau die zwei Probleme an, an denen das Hochskalieren bisher scheitert: Wie bringt man Qubits miteinander in Kontakt, die nicht direkt nebeneinanderliegen? Und wie steuert man sehr viele davon, ohne im Kabelsalat zu ersticken?

Das Team um Lieven Vandersypen an der TU Delft löste das erste Problem durch Bewegung. Es schob ein einzelnes Qubit rund 1,2 Mikrometer weit durch den Chip, sodass es nacheinander mit vier ortsfesten Nachbarn wechselwirken konnte. Auf diese Weise gelangen Paritätsmessungen, wie sie die Quantenfehlerkorrektur braucht – und eine gemeinsame Verschränkung aller fünf Qubits.

Die HRL Laboratories im kalifornischen Malibu setzten stattdessen bei der Steuerung an. Ihr Chip trägt 54 Quantenpunkte und arbeitete mit 18 Qubits; die nötigen Signale erzeugt kein Elektronikschrank bei Zimmertemperatur mehr, sondern ein eigens gefertigter CMOS-Baustein, der bei rund minus 268 Grad Celsius direkt im Kryostaten sitzt. Verbunden sind beide durch ein etwa zentimeterbreites supraleitendes Kabelband, das Hunderte Steuerleitungen bündelt, aber kaum Wärme zu den Qubits trägt. Das System führte Fehlererkennung und Fehlerkorrektur eigenständig aus und unterbot bisherige Steuerfehler dieser Qubit-Art um etwa das Zehnfache.

Zum Vergleich: Supraleitende Quantencomputer arbeiten längst mit mehr als 100 Qubits, Anlagen mit neutralen Atomen sogar mit Tausenden. Bei der Qualität der einzelnen Rechenschritte haben Spin-Qubits nun aber aufgeschlossen. Weitere Gruppen ziehen nach: Das japanische Forschungsinstitut RIKEN meldete Anfang Juli ein Fünf-Qubit-System mit einer Fehlerrate unter 0,01 Prozent, das Delfter Start-up Groove Quantum stellte im April einen 18-Qubit-Prozessor aus Germanium vor, allerdings ohne abgeschlossene Begutachtung.

Für die Fachgemeinde sei dieser Fortschritt »großartig«, sagt Daniel Loss, heute an der King Fahd University of Petroleum and Minerals. Ein Gutachter der HRL-Studie sprach von einem bedeutenden Meilenstein für die technologische Reife halbleiterbasierter Spin-Qubits. Auch wirtschaftlich ist die Wende sichtbar: IBM, das selbst auf supraleitende Qubits setzt, kündigte die Übernahme von HRL an.