Udvikling af et nøgleelement til skalerbare kvantecomputere

Kvantecomputere har potentialet til i høj grad at overstige konventionelle computeres evner til visse opgaver. Men der er stadig lang vej igen, før de kan hjælpe med at løse problemer i den virkelige verden. Mange applikationer kræver kvanteprocessorer med millioner af kvantebits. Nutidens prototyper kommer blot med nogle få af disse beregningsenheder.

"I øjeblikket er hver enkelt qubit forbundet via flere signallinjer til styreenheder på størrelse med et skab. Det virker stadig for et par qubits. Men det giver ikke længere mening, hvis man vil lægge millioner af qubits på chippen. 's nødvendige for kvantefejlkorrektion," siger Dr. Lars Schreiber fra JARA Institute for Quantum Information ved Forschungszentrum Jülich og RWTH Aachen University.

På et tidspunkt bliver antallet af signallinjer en flaskehals. Linjerne fylder for meget i forhold til størrelsen af ​​de små qubits. Og en kvantechip kan ikke have millioner af input og output - en moderne klassisk chip indeholder kun omkring 2.000 af disse. Sammen med kolleger fra Forschungszentrum Jülich og RWTH Aachen University har Schreiber forsket i flere år for at finde en løsning på dette problem.

Deres overordnede mål er at integrere dele af styreelektronikken direkte på chippen. Fremgangsmåden er baseret på såkaldte halvlederspin-qubits lavet af silicium og germanium. Denne type qubit er forholdsvis lille. Fremstillingsprocesserne svarer stort set til konventionelle siliciumprocessorer. Dette anses for at være fordelagtigt, når det kommer til at realisere rigtig mange qubits. Men først skal nogle grundlæggende barrierer overvindes.

"Den naturlige sammenfiltring, der alene er forårsaget af partiklernes nærhed, er begrænset til et meget lille område, omkring 100 nanometer. For at koble qubits skal de i øjeblikket placeres meget tæt på hinanden. Der er simpelthen ikke plads til yderligere styreelektronik, som vi gerne vil installere der,« siger Schreiber.

For at skille qubits fra hinanden, kom JARA Institute for Quantum Information (IQI) op med ideen om en quantum shuttle. Denne specielle komponent skal hjælpe med at udveksle kvanteinformation mellem qubits over større afstande. Forskerne har arbejdet på "kvantebussen" i fem år og har allerede indgivet mere end 10 patenter. Forskningen begyndte som en del af det europæiske QuantERA-konsortium Si-QuBus og fortsættes nu i det nationale projekt QUASAR under Forbundsministeriet for Uddannelse og Forskning (BMBF) sammen med industrielle partnere.

"Omkring 10 mikrometer skal bygges bro fra den ene qubit til den næste. Ifølge teorien kan millioner af qubits realiseres med en sådan arkitektur. Det forudsagde vi for nylig i samarbejde med kredsløbsingeniører fra Central Institute for Engineering, Electronics and Analytics kl. Forschungszentrum Jülich," forklarer IQI-instituttets direktør prof. Hendrik Bluhm. Forskere ved TU Delft og Intel er også kommet frem til samme konklusion.

Et vigtigt skridt er nu nået af Lars Schreiber og hans team. Det lykkedes dem at transportere en elektron 5000 gange over en afstand på 560 nanometer uden væsentlige fejl. Det svarer til en afstand på 2,8 millimeter. Resultaterne blev offentliggjort i npj Quantum Information .

'Surfing'-elektroner

En væsentlig forbedring:Elektronerne drives ved hjælp af fire simple styresignaler, som – i modsætning til tidligere tilgange – ikke bliver mere komplekse over længere afstande. Dette er vigtigt, fordi der ellers ville være behov for omfattende kontrolelektronik, som ville optage for meget plads – eller slet ikke kunne integreres på chippen.

Denne præstation er baseret på en ny måde at transportere elektroner på. "Indtil nu har folk forsøgt at styre elektronerne specifikt uden om individuelle forstyrrelser på deres vej. Eller også har de skabt en række såkaldte kvanteprikker og ladet elektronerne hoppe fra en af ​​disse prikker til en anden. Begge tilgange kræver præcis signaljustering, og de har også fået lov til at styre elektronerne rundt om de enkelte forstyrrelser. hvilket resulterer i for kompleks styreelektronik,« forklarer Lars Schreiber. "I modsætning hertil genererer vi en potentiel bølge, hvorpå elektronerne simpelthen surfer over forskellige kilder til interferens. Nogle få styresignaler er tilstrækkelige til en sådan ensartet bølge; fire sinusformede impulser er alt, der skal til."

Som et næste trin ønsker fysikerne nu at vise, at qubit-informationen kodet i elektronspin ikke går tabt under transport. Teoretiske beregninger har allerede vist, at dette er muligt i silicium i visse hastighedsområder. Kvantebussen baner således vejen til en skalerbar kvantecomputerarkitektur, der også kan tjene som grundlag for flere millioner qubits. + Udforsk yderligere

Kvante-shuttle til kvanteprocessor fremstillet i Tyskland lanceret