De race om de kwantumcomputer zal hoogstwaarschijnlijk worden beslist bij de kwantumbit (qubit) - de kleinste informatie-eenheid van de kwantumcomputer. Het koppelen van meerdere qubits in een rekensysteem is momenteel een van de grootste uitdagingen bij de ontwikkeling van kwantumcomputers. Een belangrijke vraag is welk fysiek systeem en welk materiaal het meest geschikt is voor qubits. De ontwikkeling van qubits op basis van supergeleiders is het verst gevorderd, maar er zijn steeds meer tekenen dat siliciumhalfgeleidertechnologie een veelbelovend alternatief kan zijn met beslissende voordelen bij de productie van chips.

De klassieke bit is de kleinste gegevensopslageenheid van onze huidige computers. Het kan precies twee waarden aannemen:één en nul - of met andere woorden:een stroom stroomt ("één") of loopt niet ("nul"). Het kwantumbit, anderzijds, is niet beperkt tot deze twee toestanden:het kan tegelijkertijd een tussentoestand van één en nul aannemen, bekend als "superpositie". Pas op het moment van meten wordt deze tussentoestand op een vaste waarde gebracht. Met andere woorden:terwijl normale bits op elk moment een bepaalde waarde hebben, qubits nemen pas een gedefinieerde waarde aan op het betreffende meetmoment. Deze eigenschap is de basis voor de enorme rekenkracht die kwantumcomputers kunnen gebruiken voor sommige problemen.

Dit maakt de opslag van dergelijke kwantuminformatie veel gecompliceerder - een simpele "stroom aan/stroom uit" is niet genoeg. In plaats daarvan, de snelste en kleinste processen in ruimte en tijd dienen als basis:kwantumtoestanden van elektronen of fotonen kunnen worden gebruikt om een ​​qubit te implementeren. In het geval van silicium kwantumbits, het intrinsieke impulsmoment van een enkel elektron - de elektronenspin - wordt gebruikt voor informatieopslag. Hier, de draairichting van het elektron in combinatie met zijn kwantumtoestand codeert de kwantuminformatie. Dit is, begrijpelijk, zeer breekbaar, omdat zelfs de meest subtiele verstoringen op atomair niveau het impulsmoment van een elektron kunnen beïnvloeden en de kwantuminformatie kunnen vernietigen.

De uitdaging van vandaag:Quantumbits koppelen

Een nog moeilijkere taak is het met elkaar verbinden van quantumbits, omdat een enkele quantumbit niet voldoende is om een ​​rekenkundige bewerking uit te voeren. Net als standaardcomputers, kwantumcomputers hebben meerdere (kwantum)bits nodig om aan elkaar te worden gekoppeld om een ​​computersysteem te vormen:de afzonderlijke qubits moeten met elkaar kunnen interageren. Als de te koppelen qubits ver uit elkaar liggen op de chip, de ene qubit moet eerst met een soort "quantum bus" in de buurt van de andere worden gebracht om een ​​rekenoperatie mogelijk te maken.

In het geval van de op spin gebaseerde qubit, dit betekent dat het impulsmoment van een elektron precies en met een minimum aan verstoring moet worden getransporteerd of overgedragen naar een ander elektron - en niet slechts één keer, maar mogelijk duizenden of zelfs miljoenen keren. Een uitdaging voor de wetenschap:het onderling verbinden van de qubits is momenteel waarschijnlijk het grootste obstakel bij de ontwikkeling van kwantumcomputers. "Het maakt een verschil of je een enkele kwantumbit opzet of tientallen, honderden of duizenden van hen. Er kunnen interacties optreden tussen de qubits die moeilijk te controleren zijn, " beschrijft professor Guido Burkard, hoogleraar theoretische fysica van de gecondenseerde materie en kwantuminformatie aan de Universiteit van Konstanz.

Momenteel, de meest geavanceerde prototypes van kwantumcomputers bereiken een koppeling van zo'n 20 tot 50 qubits. "Dit is nu al een groot succes. er is nog een lange weg te gaan voordat we tot een daadwerkelijke toepassing komen. Duizenden of miljoenen qubits zijn nodig om zinvolle rekenkundige bewerkingen uit te voeren, ' zegt Guido Burkard.

Het potentieel van silicium

De meest geavanceerde kwantumcomputersystemen tot nu toe zijn gebaseerd op supergeleiders. Op supergeleiders gebaseerde systemen zijn extreem krachtig, maar ze hebben te kampen met beperkingen:ze werken niet bij kamertemperatuur, maar bij temperaturen net boven het absolute nulpunt (rond de -273 C). In aanvulling, supergeleiders zijn relatief energie-intensief en relatief groot vanuit het oogpunt van technische miniaturisatie, zodat slechts een klein aantal op supergeleiders gebaseerde qubits op een chip passen.

Naast de verdere ontwikkeling van supergeleiderqubits, er wordt ook onderzoek gedaan naar alternatieve systemen. Silicium is een van de meest veelbelovende materialen:"Wij geloven dat op silicium gebaseerde halfgeleiderqubits geweldige vooruitzichten bieden, " legt Guido Burkard uit. Op silicium gebaseerde kwantumbits hebben het voordeel dat, slechts enkele nanometers groot zijn, ze zijn beslist kleiner dan supergeleidersystemen. Bijgevolg, er kunnen er nog veel meer in een computerchip worden gestopt - mogelijk miljoenen. "Bovendien, industrie heeft al tientallen jaren ervaring met siliciumhalfgeleidertechnologie. De ontwikkeling en productie van op silicium gebaseerde qubits profiteert hier enorm van - wat geen klein voordeel is, " legt Guido Burkard uit.

Al in 2017, Het onderzoeksteam van Guido Burkard, in samenwerking met Princeton University en de University of Maryland, slaagde erin een stabiele "kwantumpoort" te creëren voor siliciumqubits, d.w.z. een schakelsysteem voor aanvankelijk twee-qubit-systemen dat in staat was om alle basishandelingen van de kwantumcomputer uit te voeren. Een mijlpaal waar de natuurkundigen nu aan bouwen:"Onze taak is nu om een ​​zo groot mogelijk aantal siliciumqubits op te schalen en met elkaar te verbinden met een minimum aan overspraak, " zegt Burkard. Om dit doel te bereiken, hij heeft nu zijn krachten gebundeld met toonaangevende onderzoeksteams op het gebied van qubit-ontwikkeling in het kader van drie grote onderzoeksnetwerken op het niveau van Europa, Duitsland en Baden-Württemberg.