Quantum shuttle til kvanteprocessor fremstillet i Tyskland lanceret

Kvantecomputerløbet er i fuld gang. Tyskland har længe været en af ​​verdens førende inden for grundforskning. En alliance mellem Forschungszentrum Jülich og halvlederproducenten Infinion, sammen med institutter for Fraunhofer-Gesellschaft (IAF, IPMS) samt Leibniz Association (IHP, IKZ), universiteterne i Regensburg og Konstanz og kvantestart-HQS, har nu til formål at anvende resultaterne på industriel produktion. Målet er en halvleder -kvanteprocessor fremstillet i Tyskland, der er baseret på "shuttling" af elektroner og skal opnås med teknologi tilgængelig i Tyskland. QUASAR -projektet, som finansieres med over 7,5 millioner euro af det føderale ministerium for uddannelse og forskning (BMBF), sigter mod at lægge grundlaget for industriel produktion af kvanteprocessorer i løbet af de næste fire år.

Kvantecomputere har potentiale til langt bedre at overgå konventionelle supercomputere i visse problemer, for eksempel når det kommer til at kontrollere trafikstrømme i storbyområder eller simulere materialer på atomniveau. Men det er stadig uklart, hvilken tilgang der vil vinde løbet blandt kvantecomputere. Eksperimenter med superledende qubits, de mindste enheder i en kvantecomputer, er i øjeblikket de mest avancerede. For eksempel, Googles kvantechips og den eksperimentelle kvantecomputer i det europæiske kvanteflagskibsprojekt, som skal gå i drift i år på Forschungszentrum Jülich, er baseret på dem. Men når det kommer til et stort antal qubits, halvleder qubits kan have fordelen.

"I Jülich, vi undersøger begge typer qubits, halvlederbaseret og superlederbaseret. Der er stærke synergieffekter, for eksempel, i udviklingen af ​​kvantesoftware, komponentudvikling og deres integration i eksperimentelle computerarkitekturer, "siger prof. Wolfgang Marquardt, Formand for bestyrelsen for Forschungszentrum Jülich. "På lang sigt, vi ønsker at realisere en frit tilgængelig kvantecomputer til videnskab i Jülich. QUASAR -projektet er et vigtigt skridt for dette projekt - i kombination med vores andre aktiviteter, såsom det europæiske kvanteflagskib eller forskning i kvantematerialer. "

Silicon -elektron -spin -qubits er et lovende system for halvleder -qubits, fordi de har forholdsvis robuste kvanteegenskaber og er meget mindre i størrelse end superledende kvantebits. "En stor fordel er, at deres produktion stort set er kompatibel med produktionen af ​​siliciumprocessorer. Det betyder, at, i princippet, der er allerede en masse erfaring med fremstillingsprocesserne, "siger projektkoordinator professor Hendrik Bluhm, Direktør ved JARA Institute for Quantum Information hos Forschungszentrum Jülich. Et eksempel er Infineon i Dresden:i projektet, den tyske halvlederproducent hjælper med sin produktionskompetence med at tilpasse komponentdesignet til industriel fremstilling.

"Grundlæggende spørgsmål mangler stadig at blive afklaret. Indtil videre har det har ikke været muligt at opskalere kvantechips lige så let som konventionelle computerchips. Et problem har været geometriske begrænsninger. Qubitsne skal normalt være meget tæt sammen, for at de kan kobles til hinanden. Derfor, halvleder qubits er hidtil blevet demonstreret primært i komponenter, der ikke har mere end to koblede qubits tæt på hinanden. For en skalerbar arkitektur, imidlertid, vi har brug for mere plads på kvantechippen, for eksempel til fødeledninger og kontrolelektronik, ”siger Hendrik Bluhm.

For at øge afstandene, forskerne fra JARA -samarbejdet mellem Forschungszentrum Jülich og RWTH Aachen University, sammen med andre forskningspartnere, har udviklet en noget, der kaldes en kvantebus. Dette særlige sammenkoblingselement tillader afstande på op til 10 mikrometer mellem de enkelte qubits at blive broet effektivt. I silicium qubits, kvanteinformationen kodes af elektronernes spin i kvantepunkter - specielle nanoskopiske halvlederstrukturer. Kvantebussen kan fange elektronerne på disse kvantepunkter og transportere dem på en kontrolleret måde uden at miste kvanteinformationen.

Fra laboratorium til produktion

Udveksling af elektroner er også kendt som "shuttling". I laboratoriet, eksperimentelle prøver viser allerede lovende resultater. Nu ønsker Jülich -forskerne at tilpasse enhedens design til industrielle fremstillingsprocesser. Til denne ende, de har slået sig sammen i QUASAR -projektet med Infineon Dresden, opstarts-HQS med speciale i kvantemekaniske materialesimuleringer, institutter for Fraunhofer-Gesellschaft (IAF, IPMS) samt Leibniz Association (IHP, IKZ) og universiteterne i Regensburg og Konstanz.

"En af udfordringerne her er den krævede grad af materialekvalitet, hvilket er meget højere for denne applikation end for produktion af konventionelle computerchips, "siger Hendrik Bluhm." Et andet åbent punkt er miniaturisering af kontrolsystemerne på chippen. I princippet, imidlertid, vi ser et stort potentiale i denne tilgang til komplekse kredsløb. Millioner af qubits er realistiske. "

QUASAR -projektet løber frem til januar 2025. Næste trin er at bygge en demonstrator med omkring 25 koblede qubits, som vil blive implementeret i et opfølgningsprojekt og integreret i det modulære HPC-miljø i Jülich Supercomputing Center via "Jülich User Infrastructure for Quantum Computing" (JUNIQ) med cloud-adgang.