Kvantdatorloppet är i full gång. Tyskland har länge varit en av världens ledande inom grundforskning. En allians mellan Forschungszentrum Jülich och halvledartillverkaren Infinion, tillsammans med institut från Fraunhofer-Gesellschaft (IAF, IPMS) samt Leibniz Association (IHP, IKZ), universiteten i Regensburg och Konstanz och kvantstart HQS, siktar nu på att tillämpa resultaten på industriell produktion. Målet är en halvledarkvantprocessor tillverkad i Tyskland som är baserad på "shuttling" av elektroner och som ska uppnås med teknik tillgänglig i Tyskland. QUASAR -projektet, som finansieras med över 7,5 miljoner euro av det federala ministeriet för utbildning och forskning (BMBF), syftar till att lägga grunden för industriell produktion av kvantprocessorer under de kommande fyra åren.

Kvantdatorer har potential att överleva konventionella superdatorer överlägset i vissa problem, till exempel när det gäller att styra trafikflöden i storstadsområden eller simulera material på atomnivå. Men det är fortfarande oklart vilket tillvägagångssätt som vinner loppet bland kvantdatorerna. Experiment med supraledande qubits, de minsta enheterna i en kvantdator, är för närvarande de mest avancerade. Till exempel, Googles kvantchips och den experimentella kvantdatorn i European Quantum Flagship-projektet, som ska tas i drift i år på Forschungszentrum Jülich, baseras på dem. Men när det kommer till ett stort antal qubits, halvledarqubits kan ha fördelen.

"I Jülich, vi undersöker båda typerna av qubits, halvledarbaserade och supraledarebaserade. Det finns starka synergieffekter, till exempel, i utvecklingen av kvantmjukvara, komponentutveckling och deras integration i experimentella datorarkitekturer, " säger prof. Wolfgang Marquardt, Styrelseordförande i Forschungszentrum Jülich. "I längden, vi vill realisera en fritt tillgänglig kvantdator för vetenskap på Jülich. QUASAR-projektet är ett viktigt steg för detta projekt – i kombination med våra andra aktiviteter, till exempel European Quantum Flagship eller forskning om kvantmaterial."

Kiselelektronspinn-qubits är ett lovande system för halvledar-qubits eftersom de har jämförelsevis robusta kvantegenskaper och är mycket mindre i storlek än supraledande kvantbitar. "En stor fördel är att deras produktion till stor del är kompatibel med produktionen av kiselprocessorer. Det betyder att, i princip, det finns redan mycket erfarenhet av tillverkningsprocesserna, " säger projektkoordinator professor Hendrik Bluhm, Direktör vid JARA Institute for Quantum Information vid Forschungszentrum Jülich. Ett exempel är Infineon i Dresden:i projektet, den tyska halvledartillverkaren hjälper till med sin produktionsexpertis med att anpassa komponentdesignen för industriell tillverkning.

"Grundläggande frågor måste fortfarande klargöras. Hittills har det har inte varit möjligt att skala upp kvantchips lika enkelt som konventionella datorchips. Ett problem har varit geometriska begränsningar. Qubits måste vanligtvis ligga väldigt nära varandra för att de ska kunna kopplas till varandra. Därför, halvledar-qubits har visats fram till nu främst i komponenter som inte har mer än två kopplade qubits nära varandra. För en skalbar arkitektur, dock, vi behöver mer utrymme på kvantchipset, till exempel för matningsledningar och styrelektronik, säger Hendrik Bluhm.

För att öka avstånden, forskarna från JARA-samarbetet mellan Forschungszentrum Jülich och RWTH Aachen University, tillsammans med andra forskningspartners, har utvecklat en något som kallas kvantbuss. Detta speciella sammankopplingselement gör att avstånd på upp till 10 mikrometer mellan de enskilda qubits kan överbryggas effektivt. I kisel qubits, kvantinformationen kodas av elektronernas spinn som finns i kvantpunkter – speciella nanoskopiska halvledarstrukturer. Kvantbussen kan fånga elektronerna på dessa kvantpunkter och transportera dem på ett kontrollerat sätt utan att förlora kvantinformationen.

Från laboratorium till produktion

Utbytet av elektroner är också känt som "shuttling". I laboratoriet, experimentella prover visar redan lovande resultat. Nu vill Jülich-forskarna anpassa enhetens design till industriella tillverkningsprocesser. För detta ändamål, de har gått samman i QUASAR -projektet med Infineon Dresden, start-HQS som specialiserat sig på kvantmekaniska materialsimuleringar, instituten för Fraunhofer-Gesellschaft (IAF, IPMS) samt Leibniz Association (IHP, IKZ) och universiteten i Regensburg och Konstanz.

"En av utmaningarna här är den erforderliga graden av materialkvalitet, vilket är mycket högre för denna applikation än för tillverkning av konventionella datorchips, ", säger Hendrik Bluhm. "En annan öppen punkt är miniatyriseringen av styrsystemen på chipet. I princip, dock, vi ser stor potential i detta tillvägagångssätt för komplexa kretsar. Miljontals qubits är realistiska."

QUASAR-projektet kommer att pågå till januari 2025. Nästa steg är att bygga en demonstrator med cirka 25 kopplade qubits, som kommer att implementeras i ett uppföljningsprojekt och integreras i den modulära HPC-miljön i Jülich Supercomputing Center via "Jülich User Infrastructure for Quantum Computing" (JUNIQ) med molntillgång.