Siliziumkarbid: Extrem harter Werkstoff für Quantencomputer

Fehler in den Kristallen eignen sich für die kleinsten Schalteinheiten, die sogenannten Qubits.

Siliziumkarbid-Kristall
Siliziumkarbid-Kristall

Santa Barbara (USA) - Siliziumkarbid gehört zu den härtesten Materialien überhaupt. Doch es ist nicht nur als Schleifmittel und Isolator von radioaktiven Brennelementen geeignet, sondern auch für die Entwicklung zukünftiger Quantencomputer. Zu diesem Ergebnis kommen Physiker, die mit Lasern die elektronischen Eigenschaften von Siliziumkarbid näher untersucht haben. Wie sie in der Zeitschrift "Nature" berichten, können winzige Fehler im Kristallaufbau zu den kleinsten Recheneinheiten eines Quantencomputers, den sogenannten Qubits, genutzt werden.

"Diese Defekte sind optisch aktiv im Bereich der Wellenlängen, wie sie auch in der Telekommunikation verwendet werden", berichten David Awschalom und seine Kollegen von der University of California in Santa Barbara. Sie schafften es, den Spin dieser Fehlstellen in speziellen Siliziumkarbid-Kristallen (4H-SiC) zu messen. Dazu richteten sie einen Laserstrahl auf ihre Probe. So angeregt sendete der Kristall Fluoreszenzlicht aus. Der Clou an der Sache: Diese Lichtemission hängt streng von dem Spinzustand der Fehlstelle ab. Dieser kann zwei verschiedene Werte annehmen und so zwischen den digitalen Basiswerten "0" und "1" kontrolliert variieren.

Im Detail verursacht die Fehlstelle im Kristallaufbau die Bildung eines komplexen Multi-Elektronen-Systems. Gesamt betrachtet weist dieses einen variablen und mit bis zu 185 Mikrosekunden relativ langlebigen Spinzustand auf, der als Qubit genutzt werden kann. Die ersten Qubits überhaupt realisierten andere Forschergruppen mit aufwendig gekühlten und eingefangenen Atomen. In Siliziumkarbid dagegen könnten nun Qubits in einem greifbaren Festkörper und sogar bei Raumtemperatur gebildet werden.

Ganz ähnliche für Qubits geeignete Elektronensysteme konnten auch schon an Fehlstellen in Diamanten beobachtet werden. Dennoch bietet Siliziumkarbid mehrere entscheidende Vorteile. Zum einen ist das Material günstiger und lässt sich mit den etablierten Methoden der Chiphersteller bearbeiten. Zum anderen sendet Siliziumkarbid Fluoreszenzlicht in einem Spektralbereich aus, der bereits heute für die optische Datenübermittlung genutzt wird. Eine Verknüpfung mit bereits vorhandenen, photonischen Systemen liegt daher nahe.

Von einem einsatzfähigen Quantencomputer sind allerdings auch Awschalom und Kollegen noch weit entfernt. Zuvor müssten Technologien entwickelt werden, um Tausende solcher Qubits anordnen und per Laserpuls kontrollieren zu können. Wenn diese Hürde jedoch überwunden werde, könnte sich Siliziumkarbid zu einem ernsthaften Kandidaten für größere Quantencomputer-Anordnungen mausern, kommentiert Andrew Dzurak von der University of New South Wales in Sydney die aktuelle Studie. Im Unterschied zu herkömmlichen Computern sollen Quantencomputer einst sehr große Zahlen extrem schnell in ihre Faktoren zerlegen können. Das ist eine Voraussetzung, um beispielsweise komplexe Verschlüsselungscodes in kurzer Zeit knacken zu können.