Kvanttiprosessori puolijohdetekniikalla

Esimerkinomainen kubittien kytkentä sirulla 

Saksalaiset kvanttitietotekniikan tutkijat Forschungszentrum Jülichin ja puolijohdevalmistaja Infinionin liitossa yhdessä Fraunhofer-Gesellschaftin (IAF, IPMS), Leibniz Associationin (IHP, IKZ), Regensburgin ja Konstanzin yliopistojen sekä kvantti start-up HQS:n välillä pyrkivät nyt siirtämään osaamistaan teolliseen tuotantoon.

Tavoitteena on Saksassa valmistettu puolijohteinen kvanttiprosessori, joka perustuu elektronien "sukkulointiin" ja joka on saavutettavissa Saksassa saatavilla olevalla tekniikalla. Myös liittovaltion opetus- ja tutkimusministeriö (BMBF) rahoittaa yli 7,5 miljoonalla eurolla tätä QUASAR-hanketta.

Kvanttitietokoneiden kisassa on edelleen epäselvää, mikä lähestymistapa olisi voittaja. Kokeet suprajohtavilla kubiteilla ovat tällä hetkellä pisimmällä mutta kun tulee kyse suuresta määrästä kubitteja, puolijohteisilla kubiteilla voi olla etunsa.

Piin elektronin spinin perustuvat kubitit ovat yksi lupaava järjestelmä puolijohdekubiteille, koska niillä on suhteellisen vankat kvanttiominaisuudet ja ne ovat kooltaan paljon pienempiä kuin suprajohtavat kvanttibitit.

"Suuri etu on, että niiden tuotanto on pitkälti yhteensopiva piiprosessorien tuotannon kanssa. Tämä tarkoittaa, että periaatteessa on jo paljon kokemusta valmistusprosesseista", kertoo professori Hendrik Bluhm, JARA Institute for Quantum Informationin vetäjä.

Yksi esimerkki on Dresdenin Infineon: projektissa saksalainen puolijohdevalmistaja auttaa tuotanto-osaamisellaan mukauttamaan komponenttisuunnittelua teolliseen valmistukseen.

"Peruskysymyksiä on vielä selvitettävä. Kvanttisiruja ei ole tähän mennessä voitu skaalata yhtä helposti kuin tavanomaisia tietokonepiirejä. Yksi ongelma on ollut geometriset rajoitukset. Kubittien on yleensä oltava hyvin lähellä toisiaan, jotta ne voivat kytkeytyä toisiinsa. Siksi puolijohteisia kubitteja on toistaiseksi osoitettu komponenteissa, joissa on enintään kaksi kytkettyä kubittia lähellä toisiaan. Skaalautuvaan arkkitehtuuriin tarvitsemme kuitenkin enemmän tilaa esimerkiksi kvanttisirulla ohjauslinjoille ja ohjauselektroniikkaan", Hendrik Bluhm kertoo.

Etäisyyksien lisäämiseksi tutkija kumppanit ovat ideoineet kvanttiväylän. Se mahdollistaa jopa 10 mikrometrin etäisyyden muodostamisen yksittäisten kubittien välillä. Piikubiteissa kvantti-informaatio koodataan kvanttipisteissä olevien elektronien spineillä. Kvanttiväylä voi siepata elektronit näihin kvanttipisteisiin ja kuljettaa niitä hallitusti kvantti-informaatiota menettämättä. Tekniikka perustuu sarjaan kytkettyihin elektrodeihin, jotka käyttävät sykkiviä jännitteitä kvanttipisteiden siirtämiseksi toisesta päästä toiseen kuin kuljettimella

Elektronien vaihto tunnetaan myös nimellä "shuttling". Laboratoriossa kokeet ovat osoittaneet lupaavia tuloksia. Nyt tutkijat haluavat mukauttaa laitteen suunnittelun teollisiin valmistusprosesseihin.

"Yksi haasteista on materiaalin vaadittu aste, joka on paljon korkeampi tälle sovellukselle kuin perinteisten tietokonesirujen tuotannolle", Hendrik Bluhm sanoo. "Toinen avoin kohta on piirin ohjausjärjestelmien pienentäminen. Periaatteessa kuitenkin näemme tässä lähestymistavassa suuren potentiaalin monimutkaisille piireille. Miljoonat kubitit ovat realistisia" uskovat tutkijat Forschungszentrum Jülichin tiedotteessa.

Aiheesta aiemmin:

Piin kvanttibiteillä uusiin ulottuvuuksiin

Rekisteri ja dataväylä kvanttitietokoneelle

Kvanttibitit toimivat piisirulla