Vejen til quantum computing er banet i qubits

Løbet om kvantecomputeren vil sandsynligvis blive afgjort ved kvantebitten (qubit) - den mindste informationsenhed i kvantecomputeren. Koblingen af ​​flere qubits til et computersystem er i øjeblikket en af ​​de største udfordringer i udviklingen af ​​kvantecomputere. Et centralt spørgsmål er, hvilket fysisk system og hvilket materiale der er bedst egnet til qubits. Udviklingen af ​​qubits baseret på superledere er gået længst - men der er stigende tegn på, at silicium halvlederteknologi kan være et lovende alternativ med afgørende fordele ved chipproduktion.

Den klassiske bit er den mindste datalagringsenhed på vores nuværende computere. Det kan antage præcis to værdier:Én og nul - eller med andre ord:En strøm flyder enten ("en") eller flyder ikke ("nul"). Kvantebiten, på den anden side, er ikke begrænset til disse to tilstande:Det kan antage en mellemliggende tilstand på en og nul på samme tid, kendt som "superposition". Først på målingstidspunktet bringes denne mellemliggende tilstand til en fast værdi. Med andre ord:Mens normale bits til enhver tid har en defineret værdi, qubits tager kun en defineret værdi på det respektive målingstidspunkt. Denne egenskab er grundlaget for den massive computerkraft, som kvantecomputere kan udnytte til nogle problemer.

Dette gør lagring af sådanne kvanteoplysninger meget mere kompliceret - en simpel "strøm til/strøm fra" er ikke nok. I stedet, de hurtigste og mindste processer i rum og tid danner grundlag:Kvantetilstande af elektroner eller fotoner kan bruges til at implementere en qubit. I tilfælde af siliciumkvantebits, den iboende vinkelmoment for en enkelt elektron - elektron -spin - bruges til opbevaring af oplysninger. Her, elektronens rotationsretning i kombination med dens kvantetilstand koder for kvanteinformationen. Dette er, forståeligt nok, meget skrøbelig, da selv de mest subtile forstyrrelser på atomniveau kan påvirke en elektrones vinkelmoment og ødelægge kvanteinformationen.

Dagens udfordring:Kobling af kvantebits

En endnu vanskeligere opgave er at forbinde kvantebit, fordi en enkelt kvantebit ikke er tilstrækkelig til at udføre en aritmetisk operation. Ligesom standardcomputere, kvantecomputere kræver, at flere (kvante) bits kædes sammen for at danne et computersystem:de enkelte qubits skal kunne interagere med hinanden. Hvis de qubits, der skal kobles, er langt fra hinanden på chippen, den ene qubit skal først bringes i nærheden af ​​den anden med en slags "kvantebus" for at muliggøre en computeroperation.

I tilfælde af den spin-baserede qubit, dette betyder, at en elektrones vinkelmoment skal transporteres eller overføres til en anden elektron præcist og med et minimum af forstyrrelser - og ikke kun én gang, men potentielt tusinder eller endda millioner af gange. En udfordring for videnskaben - sammenkobling af qubits er i øjeblikket sandsynligvis den største hindring i udviklingen af ​​kvantecomputere. "Det gør en forskel, om du opretter en enkelt kvantebit, eller om du slår tiere sammen, hundrede eller tusinder af dem. Interaktioner kan forekomme mellem de qubits, der er svære at kontrollere, "beskriver professor Guido Burkard, professor i teoretisk kondenseret fysik og kvanteinformation ved universitetet i Konstanz.

I øjeblikket, de mest avancerede kvantecomputerprototyper opnår kobling på omkring 20 til 50 qubits. "Dette er allerede en stor succes. Men der er stadig en lang vej at gå, før vi kommer til en egentlig applikation. Tusinder eller millioner af qubits er nødvendige for at udføre meningsfulde regneoperationer, ”siger Guido Burkard.

Potentialet af silicium

De hidtil mest avancerede kvantecomputersystemer er baseret på superledere. Superlederbaserede systemer er ekstremt kraftfulde, men de må kæmpe med begrænsninger:De fungerer ikke ved stuetemperatur, men ved temperaturer lige over det absolutte nul (ved omkring -273 C). Ud over, superledere er relativt energikrævende og forholdsvis store ud fra teknisk miniaturisering, så kun et lille antal superlederbaserede qubits passer på en chip.

Ved siden af ​​den videre udvikling af superleder -qubits, forskning går også ind på alternative systemer. Silicium er et af de mest lovende materialer:"Vi mener, at siliciumbaserede halvleder-qubits giver gode udsigter, "forklarer Guido Burkard. Siliciumbaserede kvantebits har den fordel, at, kun få nanometer i størrelse, de er decideret mindre end superledersystemer. Følgelig, mange flere af dem kan sættes i en computerchip - potentielt millioner. "I øvrigt, industrien har allerede årtiers erfaring med silicium halvlederteknologi. Udviklingen og produktionen af ​​siliciumbaserede qubits drager enormt fordel af dette-hvilket ikke er en lille fordel, ”Forklarer Guido Burkard.

Allerede i 2017, Guido Burkards forskerhold, i samarbejde med Princeton University og University of Maryland, lykkedes det at skabe en stabil "kvanteport" til silicium qubits - dvs. et skifte system til i første omgang to-qubit systemer, der var i stand til at udføre alle de grundlæggende operationer i kvantecomputeren. En milepæl, som fysikerne nu bygger på:"Vores opgave nu er at skalere op og forbinde et så stort antal silicium qubits som muligt med et minimum af krydstale, "Siger Burkard. For at nå dette mål, han har nu slået sig sammen med førende forskerhold inden for qubit -udvikling inden for rammerne af tre store forskningsnetværk på Europas niveauer, Tyskland og Baden-Württemberg.