AG Burkard | Schematisk bild av de nya spin qubits som består av fyra elektroner (röda) med sina snurr (blå) i den omgivande halvledarstrukturen (grå)
Loppet om kvantdatorn kommer troligen att avgöras vid kvantbiten (qubit) - kvantdatorens minsta informationsenhet. Kopplingen av flera qubits till ett datasystem är för närvarande en av de största utmaningarna i utvecklingen av kvantdatorer. En nyckelfråga är vilket fysiskt system och vilket material som är bäst lämpade för qubits. Utvecklingen av qubits baserade på supraledare har avancerat längst - men det finns allt fler tecken på att kiselhalvledarteknik kan vara ett lovande alternativ med avgörande fördelar vid chipsproduktion.
Den klassiska biten är den minsta datalagringsenheten för våra nuvarande datorer. Den kan anta exakt två värden:Ett och noll - eller med andra ord:En ström flödar antingen ("en") eller flödar inte ("noll"). Kvantbiten, å andra sidan, är inte begränsad till dessa två tillstånd:Det kan anta ett mellantillstånd på ett och noll samtidigt, känd som "superposition". Först vid mätningstillfället bringas detta mellanläge till ett fast värde. Med andra ord:Medan normala bitar har ett definierat värde vid varje given tidpunkt, qubits tar ett definierat värde endast vid respektive mätningstidpunkt. Denna egenskap är grunden för den massiva datorkraft som kvantdatorer kan utnyttja för vissa problem.
Detta gör lagring av sådan kvantinformation mycket mer komplicerad - en enkel "ström på/ström av" räcker inte. Istället, de snabbaste och minsta processerna i rum och tid fungerar som grund:Kvanttillstånd för elektroner eller fotoner kan användas för att implementera en qubit. När det gäller kiselkvantbitar, den inre vinkelmomentet för en enda elektron - elektronspinnet - används för informationslagring. Här, elektronens rotationsriktning i kombination med dess kvanttillstånd kodar för kvantinformationen. Detta är, förstående, mycket ömtålig, eftersom även de mest subtila störningarna på atomnivå kan påverka vinkelmomentet hos en elektron och förstöra kvantinformationen.
Dagens utmaning:Koppling av kvantbitar
En ännu svårare uppgift är att koppla samman kvantbitar eftersom en enda kvantbit inte är tillräcklig för att utföra en aritmetisk operation. Precis som vanliga datorer, kvantdatorer kräver att flera (kvant) bitar kopplas samman för att bilda ett datasystem:Följaktligen de enskilda qubitsna måste kunna interagera med varandra. Om de qubits som ska kopplas är långt ifrån varandra på chipet, en qubit måste först föras in i närheten av den andra med ett slags "kvantbuss" för att möjliggöra en beräkning.
Quantum gate består av två kiselelektroner. Vinkelmomentet för båda elektronerna styrs av två nano-elektroder (VL och VR). En tredje nano-elektrod (VM) koordinerar interaktionen mellan båda elektronerna. Kredit:University of Konstanz
När det gäller den spinnbaserade qubit, detta innebär att en elektrones vinkelmoment måste transporteras eller överföras till en annan elektron exakt och med ett minimum av störningar - och inte bara en gång, men potentiellt tusentals eller till och med miljoner gånger. En utmaning för vetenskapen - sammankoppling av qubiterna är för närvarande förmodligen det största hindret i utvecklingen av kvantdatorer. "Det gör skillnad om du ställer in en enda kvantbit eller om du slår ihop tiotals, hundratals eller tusentals av dem. Interaktioner kan uppstå mellan de qubits som är svåra att kontrollera, "beskriver professor Guido Burkard, professor i teoretisk kondenserad fysik och kvantinformation vid universitetet i Konstanz.
För närvarande, de mest avancerade kvantdatorprototyperna uppnår koppling av cirka 20 till 50 qubits. "Det här är redan en stor framgång. Men det är fortfarande en lång väg kvar innan vi kommer till en verklig applikation. Tusentals eller miljoner qubits behövs för att utföra meningsfulla räkneoperationer, säger Guido Burkard.
Kiselns potential
De mest avancerade kvantdatorsystemen hittills är baserade på superledare. Superledarbaserade system är extremt kraftfulla, men de måste kämpa med begränsningar:De fungerar inte vid rumstemperatur, men vid temperaturer strax över absolut noll (vid -273 C). Dessutom, superledare är relativt energikrävande och relativt stora ur teknisk miniatyriseringssynpunkt, så att bara ett litet antal superledarbaserade qubits passar på ett chip.
Vid sidan av den vidare utvecklingen av superledare qubits, forskning går också in på alternativa system. Kisel är ett av de mest lovande materialen:"Vi tror att kiselbaserade halvledarkvits erbjuder stora utsikter, "förklarar Guido Burkard. Kiselbaserade kvantbitar har fördelen att, är bara några nanometer stora, de är avgjort mindre än superledarsystem. Följaktligen, många fler av dem kan sättas in i ett datorchip - potentiellt miljoner. "Dessutom, industrin har redan decenniers erfarenhet av kiselhalvledarteknik. Utvecklingen och produktionen av kiselbaserade qubits drar enormt nytta av detta-vilket inte är en liten fördel, "Guido Burkard förklarar.
Redan 2017, Guido Burkards forskargrupp, i samarbete med Princeton University och University of Maryland, lyckades skapa en stabil "kvantport" för kisel -qubits - dvs. ett kopplingssystem för initialt två-qubit system som kunde utföra alla grundläggande operationer för kvantdatorn. En milstolpe som fysikerna nu bygger på:"Vår uppgift är nu att skala upp och sammankoppla ett så stort antal kisel qubits som möjligt med ett minimum av överhörning, "Säger Burkard. För att uppnå detta mål, han har nu gått samman med ledande forskargrupper inom qubit -utveckling inom ramen för tre stora forskningsnätverk på Europas nivå, Tyskland och Baden-Württemberg.
