Quantumcomputers hebben het potentieel om de mogelijkheden van conventionele computers voor bepaalde taken enorm te overtreffen. Maar er is nog een lange weg te gaan voordat ze kunnen helpen bij het oplossen van echte problemen. Veel toepassingen vereisen kwantumprocessors met miljoenen kwantumbits. De prototypes van vandaag bedenken slechts een paar van deze rekeneenheden.

“Momenteel is elke afzonderlijke qubit via meerdere signaallijnen verbonden om units ter grootte van een kast aan te sturen. Dat werkt nog voor een paar qubits. Maar het heeft geen zin meer als je miljoenen qubits op de chip wilt zetten. is noodzakelijk voor kwantumfoutcorrectie", zegt Dr. Lars Schreiber van het JARA Institute for Quantum Information van Forschungszentrum Jülich en RWTH Aachen University.

Op een gegeven moment wordt het aantal signaallijnen een knelpunt. De lijnen nemen te veel ruimte in beslag in vergelijking met de grootte van de kleine qubits. En een kwantumchip kan geen miljoenen inputs en outputs hebben - een moderne klassieke chip bevat er slechts ongeveer 2.000. Samen met collega's van Forschungszentrum Jülich en RWTH Aachen University doet Schreiber al enkele jaren onderzoek om een ​​oplossing voor dit probleem te vinden.

Hun algemene doel is om delen van de besturingselektronica direct op de chip te integreren. De aanpak is gebaseerd op zogenaamde halfgeleiderspinqubits gemaakt van silicium en germanium. Dit type qubit is relatief klein. De fabricageprocessen komen grotendeels overeen met die van conventionele siliciumprocessors. Dit wordt als voordelig beschouwd als het gaat om het realiseren van zeer veel qubits. Maar eerst moeten enkele fundamentele barrières worden overwonnen.

“De natuurlijke verstrengeling die alleen al door de nabijheid van de deeltjes ontstaat, is beperkt tot een heel klein bereik, zo’n 100 nanometer. Om de qubits te koppelen, moeten ze nu heel dicht bij elkaar worden geplaatst. Er is simpelweg geen ruimte voor extra besturingselektronica die we daar willen installeren", zegt Schreiber.

Om de qubits te onderscheiden, kwam het JARA Institute for Quantum Information (IQI) op het idee van een quantum shuttle. Dit speciale onderdeel moet helpen om kwantuminformatie tussen de qubits over grotere afstanden uit te wisselen. De onderzoekers werken vijf jaar aan de "quantumbus" en hebben al meer dan 10 patenten aangevraagd. Het onderzoek begon als onderdeel van het Europese QuantERA-consortium Si-QuBus en wordt nu samen met industriële partners voortgezet in het nationale project QUASAR van het Federale Ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF).

“Er moet zo’n 10 micrometer overbrugd worden van de ene qubit naar de andere. Volgens de theorie zijn met zo’n architectuur miljoenen qubits te realiseren. Forschungszentrum Jülich", legt IQI Institute-directeur prof. Hendrik Bluhm uit. Ook onderzoekers van de TU Delft en Intel zijn tot dezelfde conclusie gekomen.

Een belangrijke stap is nu gezet door Lars Schreiber en zijn team. Ze slaagden erin om een ​​elektron 5000 keer te transporteren over een afstand van 560 nanometer zonder noemenswaardige fouten. Dit komt overeen met een afstand van 2,8 millimeter. De resultaten zijn gepubliceerd in npj Quantum Information .

'Surfen' elektronen

Een essentiële verbetering:de elektronen worden aangestuurd door middel van vier eenvoudige stuursignalen, die - in tegenstelling tot eerdere benaderingen - over grotere afstanden niet complexer worden. Dit is belangrijk omdat anders uitgebreide besturingselektronica nodig zou zijn, die te veel ruimte in beslag zou nemen - of helemaal niet op de chip zou kunnen worden geïntegreerd.

Deze prestatie is gebaseerd op een nieuwe manier om elektronen te transporteren. "Tot nu toe hebben mensen geprobeerd de elektronen specifiek rond individuele verstoringen op hun pad te sturen. Of ze creëerden een reeks zogenaamde kwantumstippen en lieten de elektronen van de ene naar de andere springen. Beide benaderingen vereisen nauwkeurige signaalaanpassing, wat resulteert in een te complexe besturingselektronica", legt Lars Schreiber uit. "Daarentegen genereren we een potentiaalgolf waarop de elektronen eenvoudig over verschillende storingsbronnen surfen. Voor zo'n uniforme golf zijn enkele stuursignalen voldoende; vier sinusvormige pulsen is voldoende."

Als volgende stap willen de natuurkundigen nu aantonen dat de qubit-informatie die is gecodeerd in de elektronenspin niet verloren gaat tijdens transport. Uit theoretische berekeningen is al gebleken dat dit in silicium in bepaalde snelheidsbereiken mogelijk is. De kwantumbus effent daarmee de weg naar een schaalbare kwantumcomputerarchitectuur die ook als basis kan dienen voor enkele miljoenen qubits. + Verder verkennen

Kwantumshuttle naar kwantumprocessor gemaakt in Duitsland gelanceerd