Universelle logische Operationen in einem Silizium-Quantenprozessor

Fragile Quantenzustände in verlässliche Werkzeuge verwandeln

Quantencomputer versprechen, bestimmte Probleme weit über die Reichweite heutiger Geräte hinaus zu lösen, doch ihre grundlegenden Bausteine, die Qubits, sind extrem empfindlich. Diese Studie zeigt, wie in Silizium gefertigte Qubits so kombiniert werden können, dass sie sich eher wie robuste Informationsträger verhalten, was praktischere Quantencomputer näher an die Technologien rückt, die bereits in der täglichen Elektronik verwendet werden.

Warum die Nutzung von Silizium wichtig ist

Die meisten unserer klassischen Computer laufen auf Siliziumchips; Quantenhardware im selben Material zu bauen, könnte Fertigung und Skalierung künftiger Geräte deutlich erleichtern. Das Team arbeitet mit Spin-Qubits, die durch Phosphoratome mit atomarer Präzision in einen Siliziumkristall eingebracht werden. Diese Spins können Quanteninformation über lange Zeiten speichern, und frühere Arbeiten haben gezeigt, dass einzelne Spins und kleine Gruppen davon mit sehr hoher Genauigkeit kontrolliert werden können. Was in Silizium bisher fehlte, war der nächste Schritt: vollständige „logische“ Operationen durchzuführen, die Informationen aktiv gegen Rauschen schützen.

Ein logisches Bit in mehreren physischen Bits speichern

Die Forscher verwenden ein ausgeklügeltes Schema, den sogenannten [[4, 2, 2]]-Code, bei dem vier physische Qubits gemeinsam zwei logische Qubits speichern, während ein fünftes Qubit eine unterstützende Rolle übernimmt. Anstatt einem einzelnen Qubit zu vertrauen, wird Information über alle vier verteilt, sodass bestimmte einteilige Fehler erkannt und verworfen werden können. Das Gerät entsteht durch das Musterfräsen auf einer Siliziumoberfläche mit einem Rastertunnelmikroskop und anschließender Dotierung der markierten Bereiche mit Phosphoratomen, sodass ein enger Cluster von fünf Kernspins entsteht, die als Qubits fungieren. Durch sorgfältig kalibrierte magnetische Pulse bereitet das Team zwei logische Zustände vor, darunter ein verschränktes Bell-Paar, und zeigt, dass—sobald durch Messung erkennbare fehlerhafte Daten aussortiert sind—diese logischen Zustände mit Fideli­täten über 95 % reproduziert werden.

Quanteninformation lebendig halten und kontrollieren

Um zu testen, wie robust ihre logischen Informationen sind, beobachten die Autoren, wie sich die kodierten Zustände im Lauf der Zeit verändern. Sie verfolgen verschiedene Fehlerarten und stellen fest, dass Phasenflips die Bitflips dominieren—eine „Rauschverzerrung“, die theoretisch die Fehlerkorrektur sogar effizienter machen kann. Das Team demonstriert dann eine vollständige Toolbox logischer Gatter: Operationen, die die logischen Qubits kippen, drehen und verschränken, ohne sie wieder auf einzelne Spins dekodieren zu müssen. Die meisten dieser Gatter werden direkt über native Wechselwirkungen im Donor-Cluster realisiert. Eine spezielle Rotationsart, bekannt als T-Gatter und wesentlich für allgemeine Quantenberechnungen, wird indirekt erreicht, indem ein zusätzliches Hilfsqubit einbezogen und Messergebnisse genutzt werden, um zu entscheiden, wie das logische Qubit gedreht wurde.

Besondere Quantenressourcen erzeugen und einen echten Algorithmus testen

Die gleichen T-ähnlichen Operationen erlauben dem Team außerdem, sogenannte „Magic States“ vorzubereiten—spezielle Überlagerungsmuster, die benötigt werden, um universelle, fehlerkorrigierte Algorithmen auszuführen. Mehrere Varianten dieser Zustände werden erzeugt und gemessen; eine Variante übertrifft die bekannte Qualitätsgrenze, die für künftige Reinigungsroutinen erforderlich ist. Um einen praktischen Nutzen zu demonstrieren, führen die Forscher eine kleine Quantenchemieberechnung mit einer hybriden Quanten‑Klassik‑Routine, dem variationalen Quanten-Eigensolver, durch. Mit nur zwei logischen Qubits nähern sie die Grundzustandsenergie eines Wassermoleküls an, während sich der Bindungswinkel ändert, und wenden zusätzliche Datenbereinigungsschritte an, um verbleibendes Rauschen zu kompensieren. Die resultierende Energiekurve stimmt eng mit theoretischen Erwartungen überein, obwohl die zugrundeliegende Hardware noch relativ klein ist.

Was das für künftige Quantenmaschinen bedeutet

Diese Arbeit markiert das erste Mal, dass universelle logische Operationen in einem siliziumbasierten Quantenprozessor gezeigt wurden, der aus Donoratomen aufgebaut ist. Indem Information über mehrere Spins kodiert, Fehler nachträglich detektiert und dennoch ein chemieinspirierter Algorithmus erfolgreich ausgeführt wird, demonstrieren die Autoren, dass Silizium-Spin-Qubits über isolierte Bausteine hinaus zu geschützten, programmierbaren Einheiten werden können. Mit verbesserter Fertigung zur präziseren Platzierung der Donoren, geringerem Übersprechen zwischen Steuersignalen und größeren Arrays solcher Cluster könnten ähnliche logische Schemata zu praktischen, fehlertoleranten Quantencomputern skaliert werden, die technologisch deutlich näher an heutigen Chips stehen.

Zitation: Zhang, C., Xu, F., Zhang, S. et al. Universal logical operations in a silicon quantum processor. Nat. Nanotechnol. 21, 635–641 (2026). https://doi.org/10.1038/s41565-026-02140-1

Schlüsselwörter: Silizium-Quantenprozessor, logische Qubits, [[4, 2, 2]]-Code, fehlertolerantes Quantenrechnen, Quantenchemie