De kwantumcomputerrace is in volle gang. Duitsland is lange tijd een van de wereldleiders geweest op het gebied van fundamenteel onderzoek. Een alliantie tussen Forschungszentrum Jülich en de halfgeleiderfabrikant Infinion, samen met de instituten van de Fraunhofer-Gesellschaft (IAF, IPMS) en de Leibniz Association (IHP, IKZ), de universiteiten van Regensburg en Konstanz en de kwantumstart-up HQS, wil nu de resultaten toepassen op industriële productie. Het doel is een in Duitsland gemaakte halfgeleider-quantumprocessor die is gebaseerd op het "shuttlen" van elektronen en moet worden bereikt met technologie die beschikbaar is in Duitsland. Het QUASAR-project, die met meer dan 7,5 miljoen euro wordt gefinancierd door het federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF), wil de komende vier jaar de basis leggen voor de industriële productie van kwantumprocessors.

Quantumcomputers hebben het potentieel om bij bepaalde problemen verreweg beter te presteren dan conventionele supercomputers, bijvoorbeeld als het gaat om het beheersen van verkeersstromen in grootstedelijke gebieden of het simuleren van materialen op atomair niveau. Maar het is nog onduidelijk welke aanpak de race tussen kwantumcomputers gaat winnen. Experimenten met supergeleidende qubits, de kleinste eenheden van een kwantumcomputer, zijn momenteel de meest geavanceerde. Bijvoorbeeld, De kwantumchips van Google en de experimentele kwantumcomputer in het Europese Quantum Flagship-project, die dit jaar in het Forschungszentrum Jülich in gebruik wordt genomen, zijn erop gebaseerd. Maar als het gaat om grote aantallen qubits, halfgeleiderqubits kunnen het voordeel hebben.

"In Gulik, we onderzoeken beide soorten qubits, op halfgeleiders en op supergeleiders gebaseerd. Er zijn sterke synergie-effecten, bijvoorbeeld, bij de ontwikkeling van kwantumsoftware, ontwikkeling van componenten en hun integratie in experimentele computerarchitecturen, " zegt prof. Wolfgang Marquardt, Voorzitter van de Raad van Bestuur van Forschungszentrum Jülich. "Op de lange termijn, we willen in Jülich een vrij toegankelijke kwantumcomputer voor de wetenschap realiseren. Het QUASAR-project is een belangrijke stap voor dit project – in combinatie met onze andere activiteiten, zoals het Europese Quantum Flagship of het onderzoek naar kwantummaterialen."

Siliciumelektronenspinqubits zijn een veelbelovend systeem voor halfgeleiderqubits omdat ze relatief robuuste kwantumeigenschappen hebben en veel kleiner zijn dan supergeleidende kwantumbits. "Een groot voordeel is dat hun productie grotendeels compatibel is met de productie van siliciumprocessors. Dit betekent dat, in principe, er is al veel ervaring met de fabricageprocessen, " zegt projectcoördinator prof.dr. Hendrik Bluhm, Directeur van het JARA Institute for Quantum Information bij Forschungszentrum Jülich. Een voorbeeld is Infineon in Dresden:in het project de Duitse fabrikant van halfgeleiders helpt met zijn productie-expertise het ontwerp van de componenten aan te passen voor industriële productie.

"Fundamentele vragen moeten nog worden opgehelderd. Tot nu toe, het was niet mogelijk om kwantumchips zo gemakkelijk op te schalen als conventionele computerchips. Een probleem waren geometrische beperkingen. De qubits moeten meestal heel dicht bij elkaar staan ​​om aan elkaar te kunnen worden gekoppeld. Daarom, halfgeleiderqubits zijn tot nu toe vooral aangetoond in componenten die niet meer dan twee gekoppelde qubits dicht bij elkaar hebben. Voor een schaalbare architectuur, echter, we hebben meer ruimte nodig op de kwantumchip, bijvoorbeeld voor voerlijnen en besturingselektronica, ’ zegt Hendrik Bluhm.

Om de afstanden te vergroten, de onderzoekers van de JARA-samenwerking van Forschungszentrum Jülich en RWTH Aachen University, samen met andere onderzoekspartners, hebben iets ontwikkeld dat een kwantumbus wordt genoemd. Met dit speciale verbindingselement kunnen afstanden tot 10 micrometer tussen de afzonderlijke qubits efficiënt worden overbrugd. In siliciumqubits, de kwantuminformatie wordt gecodeerd door de spin van elektronen die zich in kwantumstippen bevinden - speciale nanoscopische halfgeleiderstructuren. De kwantumbus kan de elektronen op deze kwantumdots opvangen en gecontroleerd transporteren zonder de kwantuminformatie te verliezen.

Van laboratorium tot productie

De uitwisseling van elektronen wordt ook wel "shuttling" genoemd. In het laboratorium, experimentele monsters laten al veelbelovende resultaten zien. Nu willen de Jülich-onderzoekers het ontwerp van het apparaat aanpassen aan industriële productieprocessen. Hiertoe, ze hebben hun krachten gebundeld in het QUASAR-project met Infineon Dresden, de start-up HQS gespecialiseerd in quantummechanische materiaalsimulaties, instituten van de Fraunhofer-Gesellschaft (IAF, IPMS) en de Leibniz Association (IHP, IKZ) en de universiteiten in Regensburg en Konstanz.

"Een van de uitdagingen hier is de vereiste mate van materiaalkwaliteit, dat voor deze toepassing veel hoger is dan voor de productie van conventionele computerchips, ", zegt Hendrik Bluhm. "Een ander open punt is de miniaturisering van de besturingssystemen op de chip. In principe, echter, we zien een groot potentieel in deze aanpak voor complexe circuits. Miljoenen qubits zijn realistisch."

Het QUASAR-project loopt tot januari 2025. De volgende stap is het bouwen van een demonstrator met ongeveer 25 gekoppelde qubits, die in een vervolgproject zal worden geïmplementeerd en geïntegreerd in de modulaire HPC-omgeving van het Jülich Supercomputing Center via de "Jülich User Infrastructure for Quantum Computing" (JUNIQ) met cloudtoegang.