Wer jetzt noch auf klassische Computer setzt, verpasst den Bell-Meilenstein in Silizium

Das Quanten-Startup Diraq hat erstmals in gate-definierten Silizium-Spin-Qubits die Bell’sche Ungleichung verletzt – und zwar bei 1,1 K. Mit exzellenter Zustandsfidelität legt das Team neue Maßstäbe für stabile und skalierbare Quantenprozessoren. Was steckt hinter dem Experiment? Und was bedeutet das für die Zukunft der Quantencomputer?

Inhaltsübersicht

Einleitung
Rekord bei 1,1 K: Wie Diraq die Bell’sche Ungleichung im Silizium bricht
Silizium-Spin-Qubits unter Realbedingungen: Stabiler, skalierbarer, besser?
Vom Labor zur Industrie: Roadmap zu fehlerresistenten Quantenprozessoren
Fazit

Einleitung

Während die Google-Trends von belanglosen TV-Serien-Vorschauen geflutet werden, schreibt im Hintergrund ein kleiner Kreis an Forschern Technikgeschichte: Das australische Start-up Diraq knackt im April 2024 einen Quanten-Meilenstein. Erstmals gelingt die gezielte Verletzung der Bell’schen Ungleichung in gate-definierten Silizium-Spin-Qubits bei 1,1 Kelvin − und das mit einer Zustandsfidelität von über 97 %. Für die meisten klingt das nach reinem Expertensprech – für Fachleute markiert es einen Wendepunkt. Denn genau dieser Nachweis gilt als Indikator dafür, dass echte Quantenverschränkung und fehlerresistente Qubits unter industrienahen Bedingungen möglich sind. Was hier im Detail passiert ist, warum es für die gesamte IT-Landschaft neuerdings nahezu peinlich wäre, diese Entwicklung zu ignorieren, und wie der Weg zum Quantenprozessor als Massentechnologie jetzt geebnet wird: Zeit, die Fakten offen auf den Tisch zu legen.

Rekord bei 1,1 K: Wie Diraq die Bell’sche Ungleichung im Silizium bricht

Das Experiment: Quantenverschränkung auf der SiMOS-Plattform

Silizium-Spin-Qubits gelten als Hoffnungsträger für skalierbare Quantenprozessoren – doch echte Quantenverschränkung messbar zu erzeugen, bleibt eine Herausforderung. Das Team um Andrew Dzurak und Paul Steinacker bei Diraq bringt nun einen echten Meilenstein: Auf ihrer gate-definierten SiMOS-Plattform demonstrierten sie die Verletzung der Bell’schen Ungleichung bei einer Temperatur von 1,1 K. Das klingt nach Zahlensalat? Kurz erklärt: Die Bell’sche Ungleichung trennt klassische Korrelationen von echter Quantenspur – sie ist das Referenzinstrument, wenn es darum geht, Quantenphänomene zweifelsfrei zu belegen.

CHSH-Bell-Test: Der Nachweis für Nicht-Lokalität

Im Experiment wurden zwei Silizium-Spin-Qubits per fein justierter elektrischer Steuerung verschränkt. Mithilfe des CHSH-Bell-Test wählten die Forschenden gezielt Messrichtungen und führten wiederholte Messreihen durch. Gemessen wurde das sogenannte Bell-Signal S, das nach Quantenmechanik oberhalb des klassischen Grenzwerts von 2 liegen sollte. Ergebnis: S = 2,731 – weit jenseits dessen, was klassische Computer abbilden könnten. Noch entscheidender: Die Zustandsfidelität lag über 97 %. Das bedeutet, die mit dem Protokoll erzeugten verschränkten Zustände überstehen die Messungen erstaunlich sauber.

Quantenfehlerschutz im Blick

Warum das wichtig ist? Weil hohe Zustandsfidelität und operationelle Fehlerresistenz keine akademischen Luxusprobleme sind, sondern Grundvoraussetzung für praktikable Quantencomputer– und damit für Quantenfehlerschutz. Diraqs Ansatz, experimentell bestätigt in Nature Communications, zeigt: Die Kombination aus robuster Technologie und cleverem Messprotokoll ist ein wichtiger Baustein auf dem Weg zu fehlerresistenten, skalierbaren Quantenprozessoren.

Silizium-Spin-Qubits unter Realbedingungen: Stabiler, skalierbarer, besser?

Wie Silizium-Spin-Qubits praktisch funktionieren

Silizium-Spin-Qubits setzen auf den Spin, also den Eigendrehimpuls einzelner Elektronen, die in sogenannten Quantenpunkten innerhalb eines Siliziumchips eingefangen werden. Diese Quantenpunkte lassen sich über winzige Steuerungselektroden, die sogenannten Gates, exakt schalten. Entscheidend: Die Plattform – oft als SiMOS-Plattform bezeichnet – verwendet elektromagnetische Felder, um die Qubit-Zustände gezielt zu manipulieren. So gelingt es, Quantenzustände gezielt zu verschränken und komplexe Operationen auszuführen.

Vergleich zu Supraleitern und Ionenfallen

Anders als supraleitende Qubits, die auf Temperaturen unter 100 Millikelvin angewiesen sind, arbeitet das Diraq-System stabil bei 1,1 Kelvin. Das ist erheblich wärmer – ein Quantensprung für die Kühltechnik. Ionenfallen-Qubits glänzen zwar mit hoher Zustandsfidelität und Präzision, lassen sich aber technisch schwerer in großem Maßstab auf modernen Chips implementieren. Hier sticht Silizium: Die zentrale Technologie der Halbleiterindustrie könnte skalierbare Quantenprozessoren ermöglichen.

Stabilität, Fehlerresistenz und Verschränkung

Die jüngsten Ergebnisse von Diraq – veröffentlicht in Nature Communications – zeigen, dass der CHSH-Bell-Test eine echte Quantenverschränkung nachweist: Mit einem Bell-Wert von 2,731 und einer Zustandsfidelität von über 97 % sind die Kriterien für zuverlässige Quantenoperationen erfüllt. Dennoch bleiben Herausforderungen: Die Quantenzustände müssen stabil verschränkt bleiben, während im Betrieb das Risiko von Dekohärenz und Fehlern lauert. Erst wenn die Fehlerschwellen dauerhaft unterschritten und Quantenfehlerschutz skalierbar wird, ist der Weg zu industriellen Anwendungen frei.

Fazit: Die Kombination aus höherer Betriebstemperatur, technologischer Nähe zu heutiger Chipfertigung und robuster Verschränkung macht Silizium zu einem Top-Kandidaten für den Quantencomputer der nächsten Generation.

Vom Labor zur Industrie: Roadmap zu fehlerresistenten Quantenprozessoren

Kernmoment für Quantenfehlerschutz

Was bedeutet die Verletzung der Bell’schen Ungleichung bei Silizium-Spin-Qubits für die Praxis? Mit der jetzt gemessenen Zustandsfidelität von weit über 97 Prozent kann erstmals ein entscheidender Sprung beim Quantenfehlerschutz gelingen. Diese Präzision ebnet den Weg zu fehlerresistenten Quantenprozessoren, wie sie für jede ernsthafte Anwendung unabdingbar sind. Denn robuste Verschränkung, getestet per CHSH-Bell-Test, ist die Grundvoraussetzung: Nur so lassen sich Quanteninformationen langfristig speichern und verarbeiten – und nur so lohnt sich die Aufskalierung zu wirklich leistungsfähigen Quantencomputern.

Der industrielle Fahrplan – Stimmen aus der Branche

Andrew Dzurak, CEO von Diraq, betont: „Unsere Demonstration in Silizium bei 1,1 K ermöglicht erstmals, Fehlerkorrekturprotokolle auf der SiMOS-Plattform praktisch umzusetzen. Das markiert den Übergang von Prototypen zu skalierbarer Industriehardware.“ Aus Sicht von Paul Steinacker, leitender Forscher: „Der Weg zur Marktreife führt über optimierte Kohärenzzeiten, verbesserte Qubit-Steuerung und eine schrittweise Integration von Millionen, künftig sogar Milliarden Qubits.“ Erst wenn solche Systeme Stabilität, Fehlerresistenz und Wirtschaftlichkeit vereinen, ist der Sprung zur industriellen Anwendung geschafft.

Anwendungen und Gesellschaft im Wandel

Die nächsten Jahre sind ein Labor für die Zukunft: Quantenverschränkung auf Siliziumbasis bedeutet nicht nur mehr Leistung, sondern Zugang zu Rechenmethoden für Medizin, Materialwissenschaft oder Verschlüsselung, die klassische Hardwaresysteme schlicht nicht mehr erreichen. Die Skalierbarkeit der neuen Siliziumarchitektur macht digitale Fantasieräume plötzlich greifbar – und verschiebt die Grenze des Möglichen in unseren Alltag.

Fazit

Mit dem nachgewiesenen Bruch der Bell’schen Ungleichung in Silizium-Spin-Qubits ist das Quantencomputing dem Praxiseinsatz einen großen Schritt näher. Die Kombination aus hoher Zustandsfidelität und Stabilität bei vergleichsweise hoher Temperatur dürfte nicht nur Forschern, sondern auch der Industrie den Rücken stärken. Jetzt hängt es an der raschen Weiterentwicklung von Fehlerkorrektur und Skalierung, ob der Weg zu zeitgemäßen, massentauglichen Quantenprozessoren wirklich gelingt. Der gesellschaftliche Impact? Potenziell enorm – von sichereren Verschlüsselungssystemen bis zu bisher unlösbaren Computerproblemen. Wer jetzt noch wegschaut, läuft Gefahr, eine technische Zeitenwende zu verpassen.

Quellen

Diraq Demonstrates Bell Inequality Violation with Silicon Spin Qubits
Diraq Demonstrates Key Performance Benchmark: Violation of Bell’s Inequality in Silicon Spin Qubit Technology
New spin control method brings billion-qubit quantum chips closer

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit Unterstützung von KI erstellt.