Kvantdatorer har potential att avsevärt överträffa kapaciteten hos konventionella datorer för vissa uppgifter. Men det är fortfarande en lång väg kvar innan de kan hjälpa till att lösa verkliga problem. Många applikationer kräver kvantprocessorer med miljontals kvantbitar. Dagens prototyper kommer bara med några av dessa beräkningsenheter.

"För närvarande är varje enskild qubit ansluten via flera signalledningar till styrenheter ungefär lika stora som ett skåp. Det fungerar fortfarande för några qubits. Men det är inte längre vettigt om du vill lägga miljontals qubits på chipet. är nödvändigt för kvantfelskorrigering", säger Dr Lars Schreiber från JARA Institute for Quantum Information vid Forschungszentrum Jülich och RWTH Aachen University.

Vid någon tidpunkt blir antalet signallinjer en flaskhals. Linjerna tar för mycket plats jämfört med storleken på de små qubitarna. Och ett kvantchip kan inte ha miljontals in- och utgångar – ett modernt klassiskt chip innehåller bara cirka 2 000 av dessa. Tillsammans med kollegor vid Forschungszentrum Jülich och RWTH Aachen University har Schreiber bedrivit forskning i flera år för att hitta en lösning på detta problem.

Deras övergripande mål är att integrera delar av styrelektroniken direkt på chippet. Tillvägagångssättet bygger på så kallade halvledarspin-qubits gjorda av kisel och germanium. Denna typ av qubit är jämförelsevis liten. Tillverkningsprocesserna matchar i stort sett de för konventionella kiselprocessorer. Detta anses vara fördelaktigt när det gäller att realisera väldigt många qubits. Men först måste några grundläggande hinder övervinnas.

"Den naturliga intrasslingen som enbart orsakas av närheten till partiklarna är begränsad till ett mycket litet område, cirka 100 nanometer. För att koppla ihop qubitarna måste de för närvarande placeras väldigt nära varandra. Det finns helt enkelt inget utrymme för ytterligare styrelektronik som vi skulle vilja installera där, säger Schreiber.

För att skilja qubits isär kom JARA Institute for Quantum Information (IQI) på idén om en kvantskyttel. Denna speciella komponent ska hjälpa till att utbyta kvantinformation mellan kvantbitarna över större avstånd. Forskarna har arbetat med "kvantbussen" i fem år och har redan lämnat in mer än 10 patent. Forskningen började som en del av det europeiska QuantERA-konsortiet Si-QuBus och fortsätter nu i det nationella projektet QUASAR av det federala utbildnings- och forskningsministeriet (BMBF) tillsammans med industriella partners.

"Ungefär 10 mikrometer måste överbryggas från en qubit till nästa. Enligt teorin kan miljontals qubits realiseras med en sådan arkitektur. Vi förutspådde nyligen detta i samarbete med kretsingenjörer från Central Institute for Engineering, Electronics and Analytics på Forschungszentrum Jülich", förklarar IQI-institutets direktör prof. Hendrik Bluhm. Forskare vid TU Delft och Intel har också kommit fram till samma slutsats.

Ett viktigt steg har nu tagits av Lars Schreiber och hans team. De lyckades transportera en elektron 5000 gånger över ett avstånd på 560 nanometer utan några betydande fel. Det motsvarar ett avstånd på 2,8 millimeter. Resultaten publicerades i npj Quantum Information .

Surfelektroner

En väsentlig förbättring:elektronerna drivs av fyra enkla styrsignaler, som – i motsats till tidigare tillvägagångssätt – inte blir mer komplexa över längre avstånd. Detta är viktigt eftersom det annars skulle krävas omfattande styrelektronik, som skulle ta för mycket utrymme – eller inte alls skulle kunna integreras på chippet.

Denna prestation är baserad på ett nytt sätt att transportera elektroner. "Fram till nu har människor försökt styra elektronerna specifikt runt individuella störningar på deras väg. Eller så skapade de en serie så kallade kvantprickar och lät elektronerna hoppa från en av dessa prickar till en annan. Båda tillvägagångssätten kräver exakt signaljustering, vilket resulterar i för komplex styrelektronik", förklarar Lars Schreiber. "Däremot genererar vi en potentialvåg på vilken elektronerna helt enkelt surfar över olika störningskällor. Ett fåtal styrsignaler räcker för en sådan enhetlig våg; fyra sinusformade pulser är allt som krävs."

Som ett nästa steg vill fysikerna nu visa att qubitinformationen som kodas i elektronspinnet inte går förlorad under transporten. Teoretiska beräkningar har redan visat att detta är möjligt i kisel i vissa hastighetsområden. Kvantbussen banar alltså väg för en skalbar kvantdatorarkitektur som också kan fungera som bas för flera miljoner qubits. + Utforska vidare

Quantum shuttle till kvantprocessor tillverkad i Tyskland lanserad