Die University of Warwick erforscht unter anderem Halbleitermaterialien für Quantencomputer. Gemeinsam mit dem NRC Canada stellt ein Team nun eine neue Quantenchip-Architektur vor, die ein zentrales Problem größerer Prozessoren lösen soll: die Kommunikation zwischen weit voneinander entfernten Quantenbits. Das in der Fachzeitschrift APL Quantum veröffentlichte Konzept trägt den Namen Quantum Phononic Links, kurz QPLs. Dabei sollen schallähnliche Schwingungen Quanteninformationen durch ein speziell entwickeltes Material transportieren. Nach Angaben der Forschenden könnten Qubits dadurch prinzipiell über einen Halbleiterchip mit bis zu 300 Millimetern Durchmesser hinweg Informationen austauschen.
- Quantum Phononic Links nutzen Phononen als Übertragungsweg zwischen Qubits.
- Das Konzept basiert auf druckverspanntem Germanium auf Silizium.
- Die Architektur soll direkt in das Halbleitermaterial integriert werden.
- Die Arbeit erschien 2026 in der Fachzeitschrift APL Quantum.
Phononen sollen als „Quantenbus“ dienen
Qubits sind die grundlegenden Informationseinheiten eines Quantencomputers. Anders als klassische Bits können sie quantenmechanische Zustände nutzen. Damit ein Prozessor komplexe Aufgaben bearbeiten kann, müssen die Qubits jedoch kontrolliert miteinander wechselwirken und Informationen austauschen können.
Bei führenden heutigen Quantenchips ist eine direkte Kommunikation typischerweise nur zwischen benachbarten Qubits möglich. Für nutzbare Quantencomputer rechnen Ingenieure laut dem Bericht hingegen mit Millionen von Qubits, die über einen gesamten Chip verteilt koordiniert werden müssten.
Die vorgeschlagene Architektur soll deshalb das Chipmaterial selbst zum Kommunikationskanal für Quanteninformationen machen.
Als Träger dienen Phononen. Der Begriff bezeichnet quantisierte Schwingungen in einem Festkörper und ist vereinfacht mit Schallwellen in einem Material vergleichbar. Maksym Myronov vom Physik-Department der University of Warwick beschreibt sie als „Quantenbus“, über den entfernte Qubits Informationen austauschen könnten.
Verspanntes Germanium reagiert auf kleinste Schwingungen
Grundlage des Konzepts ist druckverspanntes Germanium auf Silizium, im Fachbeitrag als „compressively strained germanium on silicon“ beziehungsweise cs-GoS bezeichnet. Das Material wurde in Warwick mithilfe fortgeschrittener epitaktischer Wachstumsverfahren entwickelt. Bei der Epitaxie werden Kristallschichten kontrolliert auf einem Trägermaterial erzeugt.
Die in der dünnen Germaniumschicht untergebrachten Qubits reagieren besonders empfindlich auf kleinste Schwingungen. Werden diese gezielt erzeugt und gesteuert, könnten sie nach den Berechnungen des Teams Quanteninformationen sowohl zwischen direkt benachbarten als auch zwischen weiter voneinander entfernten Qubits übertragen.
Wichtig ist dabei die Einschränkung: Die Veröffentlichung beschreibt ein Konzept und dessen prinzipielle Funktionsweise. Sie belegt noch keinen entsprechend arbeitenden Großprozessor. Ob sich die Methode praktisch in der angestrebten Größenordnung umsetzen lässt, muss daher erst weitere Forschung zeigen.
Die Integration könnte zusätzliche Hardware vermeiden
Andere Ansätze für Verbindungen über größere Distanzen nutzen laut dem Forschungsteam Mikrowellen oder extern erzeugte akustische Oberflächenwellen. Dafür sind häufig komplexe Konstruktionen und zusätzliche Komponenten am Chip erforderlich. Die Quantum Phononic Links sollen dagegen unmittelbar in das Material eingebaut werden, in dem sich auch die Qubits befinden.
Sollte sich das Verfahren praktisch bewähren, könnte dies kompaktere Quantenprozessoren ermöglichen, weil Kommunikation und Qubits nicht in getrennten Systemen untergebracht werden müssten.
Die Kompatibilität mit etablierten Fertigungstechniken für Halbleiter ist dabei von besonderer Bedeutung. Für eine spätere industrielle Nutzung würde sie bedeuten, dass nicht jede Produktionsstufe vollständig neu entwickelt werden müsste. Die Forschenden sehen darin einen möglichen Weg zu besser skalierbaren und weniger kostspieligen kommerziellen Quantenprozessoren.
Halten Sie phononische Verbindungen für einen überzeugenden Weg zu größeren Quantenchips, oder sehen Sie andere Ansätze im Vorteil?
