Quantencomputing mit Siliziumchips

Quantencomputing mit Siliziumchips bietet einige besondere Eigenschaften und Vorteile gegenüber anderen Quantencomputing-Technologien. Insbesondere könnte hier eine Brücke liegen, die das viel beschriebene Ende der Silizium-Technologie hinausschiebt.

Silizium ist das dominierende Material in der heutigen Halbleiterindustrie, weshalb die Verwendung von Silizium im Quantencomputing von bestehenden Produktionstechniken und Infrastrukturen profitieren kann. Besonders hervorzuheben sind die Silizium-Qubits, insbesondere jene, die auf Elektronenspins in Silizium basieren. Sie haben gezeigt, dass sie relativ lange Kohärenzzeiten aufweisen können, was die Dauer ist, in der ein Qubit seinen Quantenzustand aufrechterhalten kann. Zuletzt hatte Intel erhebliche Fortschritte in diesem Bereich zu verzeichnen.

Hinweis: Wir beschäftigen uns in unserer Kanzlei mit Rechtsfragen des Quantum-Computings, RA Jens Ferner beherrscht zudem die simulierte Quanten-Programmierung via Qiskit.

Diese längeren Kohärenzzeiten sind vorteilhaft, um komplexere Quantenrechnungen durchzuführen. Dank der Miniaturisierung und der fortgeschrittenen Fertigungstechniken, die in der Silizium-Halbleiterindustrie entwickelt wurden, gibt es das Potenzial, Silizium-Qubits in großem Maßstab zu produzieren.

Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, mehrere Qubits auf einem Chip zu haben, was die Implementierung von Fehlerkorrekturtechniken erleichtert, die für zuverlässige Quantenberechnungen unerlässlich sind. Da Silizium bereits in der klassischen Computerindustrie verwendet wird, könnte es zudem einfacher sein, Quantensysteme und klassische Systeme auf demselben Chip zu integrieren. Und nicht zuletzt, da die Silizium-Halbleiterindustrie bereits gut etabliert ist, könnten die Kosten für die Entwicklung und Produktion von Silizium-basierten Quantencomputern im Vergleich zu anderen Technologien niedriger sein.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Verwendung von Silizium im Quantencomputing auch Herausforderungen mit sich bringt, wie die Notwendigkeit, extrem niedrige Temperaturen zu erreichen, um Quanteneffekte zu beobachten, und die Schwierigkeit, Qubits präzise zu manipulieren. Trotz dieser technischen Herausforderungen sind viele Forscher und Unternehmen optimistisch, dass Silizium-basiertes Quantencomputing ein vielversprechender Weg für die Zukunft der Quantencomputertechnologie ist.

Quantum-Computing und Recht?

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Das siliziumbasierte Quantencomputing ist daher mit einer Reihe technischer Herausforderungen verbunden. Nachfolgend sind einige der Hauptprobleme und die derzeitigen Forschungsansätze zu ihrer Lösung aufgeführt:

  1. Kohärenzzeit: Obwohl Silizium-Qubits lange Kohärenzzeiten haben können, sind diese Zeiten immer noch begrenzt. Die Kohärenzzeit ist die Zeitspanne, während der ein Qubit seinen Quantenzustand aufrechterhalten kann.
    • Lösung: Forscher versuchen, die Umgebung des Qubits zu kontrollieren und externe Störungen zu minimieren, um die Kohärenzzeit zu verlängern. Dies kann durch verbesserte Isolierung, die Verwendung von isotopenangereichertem Silizium oder spezielle Chipdesigns erreicht werden.
  2. Fehleranfälligkeit: Wie alle Quantensysteme sind auch Silizium-Qubits anfällig für Fehler durch externe Störungen.
    • Lösung: Die Forschung konzentriert sich auf fehlerkorrigierende Codes und Techniken, um die Auswirkungen von Fehlern zu minimieren. Dies erfordert in der Regel die Verwendung mehrerer Qubits, um ein „logisches Qubit“ zu bilden, das gegen Fehler geschützt ist.
  3. Qubit-Steuerung: Die präzise Kontrolle von Qubits ist entscheidend für Quantencomputer.
    • Lösung: Forscher entwickeln fortgeschrittene Mikrowellentechniken und andere Kontrollmechanismen, um Qubits präzise zu manipulieren.
  4. Skalierbarkeit: Während die Siliziumtechnologie das Potenzial für Skalierbarkeit bietet, ist das Hinzufügen von mehr Qubits zu einem System nicht trivial und kann zu erhöhten Fehlerraten führen.
    • Lösung: Es wird an Architekturen gearbeitet, die es ermöglichen, viele Qubits effizient miteinander zu verbinden und zu steuern, ohne die Systemleistung zu beeinträchtigen.
  5. Temperatur: Quantencomputer, auch solche auf Siliziumbasis, benötigen extrem tiefe Temperaturen, um Quanteneffekte beobachten zu können.
    • Lösung: Um diese extrem niedrigen Temperaturen zu erreichen, verwenden die Forscher spezielle Kühlsysteme, so genannte Verdampfungskühler.
  6. Lesbarkeit: Nach einer Quantenrechnung muss das Ergebnis ausgelesen werden können, ohne den Quantenzustand zu zerstören.
    • Lösung: Es werden spezielle Auslesetechniken entwickelt, die den Zustand eines Qubits messen können, ohne es zu zerstören.

Die Forschung auf dem Gebiet des Silizium-Quantencomputing ist noch in vollem Gange, und obwohl Fortschritte erzielt werden, sind noch viele technische Hürden zu überwinden. Dennoch sind viele in der wissenschaftlichen Gemeinschaft optimistisch, dass diese Herausforderungen mit der Zeit gelöst werden können.

Rechtsanwalt Jens Ferner (Fachanwalt für IT- & Strafrecht)
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Von Rechtsanwalt Jens Ferner (Fachanwalt für IT- & Strafrecht)

Ich bin Fachanwalt für Strafrecht + Fachanwalt für IT-Recht und widme mich beruflich ganz der Tätigkeit als Strafverteidiger und dem IT-Recht. Vor meinem Leben als Anwalt war ich Softwareentwickler. Ich bin Autor sowohl in einem renommierten StPO-Kommentar als auch in Fachzeitschriften.

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