CPU:er är byggda med hjälp av halvledarteknik, som kan sätta miljarder transistorer på ett enda chip. Nu, forskare från gruppen av Menno Veldhorst vid QuTech, ett samarbete mellan TU Delft och TNO, har visat att denna teknik kan användas för att bygga en tvådimensionell uppsättning av qubits för att fungera som en kvantprocessor. Deras arbete, en avgörande milstolpe för skalbar kvantteknologi, publicerades idag i Natur .

Kvantdatorer har potential att lösa problem som är omöjliga att lösa med klassiska datorer. Medan nuvarande kvantenheter rymmer tiotals kvantbitar – kvantteknologins grundläggande byggsten – kommer en framtida universell kvantdator som kan köra vilken kvantalgoritm som helst, sannolikt att bestå av miljoner till miljarder kvantbitar. Quantum dot qubits lovar att vara ett skalbart tillvägagångssätt eftersom de kan definieras med standardtekniker för tillverkning av halvledare. Veldhorst:"Genom att lägga fyra sådana qubits i ett två-till-två-rutnät, demonstrerar universell kontroll över alla qubits, och driva en kvantkrets som trasslar in alla kvantbitar, vi har tagit ett viktigt steg framåt för att förverkliga en skalbar metod för kvantberäkning."

En hel kvantprocessor

Elektroner fångade i kvantprickar, halvledarstrukturer på bara några tiotals nanometer stora, har studerats i mer än två decennier som en plattform för kvantinformation. Trots alla löften, skalning bortom två-qubit-logik har förblivit svårfångad. För att bryta denna barriär, grupperna Menno Veldhorst och Giordano Scappucci bestämde sig för att ta ett helt annat tillvägagångssätt och började arbeta med hål (dvs. saknade elektroner) i germanium. Genom att använda detta tillvägagångssätt, samma elektroder som behövs för att definiera qubits kan också användas för att kontrollera och trassla in dem.

"Inga större ytterligare strukturer behöver läggas till bredvid varje qubit så att våra qubits är nästan identiska med transistorerna i ett datorchip, säger Nico Hendrickx, doktorand i gruppen av Menno Veldhorst och första författare till artikeln. "Vidare, vi har fått utmärkt kontroll och kan koppla qubits efter behag, så att vi kan programmera en, två, tre, och fyra-qubit-grindar, lovande mycket kompakta kvantkretsar."

2D är nyckeln

Efter att ha skapat den första germanium quantum dot qubit 2019, antalet qubits på deras marker har fördubblats varje år. "Fyra qubits gör inte på något sätt en universell kvantdator, självklart, " säger Veldhorst. "Men genom att placera qubits i ett två-till-två rutnät vet vi nu hur man styr och kopplar qubits längs olika riktningar." Alla realistiska arkitekturer för att integrera ett stort antal qubits kräver att de är sammankopplade längs två dimensioner.

Germanium som en mycket mångsidig plattform

Att demonstrera fyra-qubit-logik i germanium definierar det senaste inom området kvantprickar och markerar ett viktigt steg mot tät, och förlängt, tvådimensionella halvledar-qubit-nät. Förutom dess kompatibilitet med avancerad halvledartillverkning, germanium är också ett mycket mångsidigt material. Den har spännande fysikegenskaper som spin-orbit-koppling och den kan komma i kontakt med material som supraledare. Germanium anses därför vara en utmärkt plattform inom flera kvantteknologier. Veldhorst:"Nu när vi vet hur man tillverkar germanium och använder en mängd qubits, germanium kvantinformationsvägen kan verkligen börja."