Chip quântico semicondutor da cooperação JARA entre Forschungszentrum Jülich e a RWTH Aachen University. Crédito:Jülich Aachen Research Alliance (JARA)
A corrida do computador quântico está em pleno andamento. A Alemanha há muito é um dos líderes mundiais em pesquisa básica. Uma aliança entre Forschungszentrum Jülich e o fabricante de semicondutores Infinion, juntamente com institutos da Fraunhofer-Gesellschaft (IAF, IPMS), bem como a Leibniz Association (IHP, IKZ), as universidades de Regensburg e Konstanz e a start-up quântica HQS, agora visa aplicar os resultados à produção industrial. O objetivo é um processador quântico semicondutor fabricado na Alemanha que se baseia no "transporte" de elétrons e deve ser alcançado com tecnologia disponível na Alemanha. O projeto QUASAR, que é financiado com mais de 7,5 milhões de euros pelo Ministério Federal da Educação e Pesquisa (BMBF), visa lançar as bases para a produção industrial de processadores quânticos nos próximos quatro anos.
Os computadores quânticos têm o potencial de superar os supercomputadores convencionais de longe em certos problemas, por exemplo, quando se trata de controlar o fluxo de tráfego em áreas metropolitanas ou simular materiais em nível atômico. Mas ainda não está claro qual abordagem vencerá a corrida entre os computadores quânticos. Experimentos com qubits supercondutores, as menores unidades de um computador quântico, são atualmente os mais avançados. Por exemplo, Os chips quânticos do Google e o computador quântico experimental no projeto European Quantum Flagship, que deve entrar em operação este ano em Forschungszentrum Jülich, são baseados neles. Mas quando se trata de um grande número de qubits, qubits semicondutores podem ter a vantagem.
"Em Jülich, estamos investigando os dois tipos de qubits, baseado em semicondutor e baseado em supercondutor. Existem fortes efeitos de sinergia, por exemplo, no desenvolvimento de software quântico, desenvolvimento de componentes e sua integração em arquiteturas de computador experimental, "diz o Prof. Wolfgang Marquardt, Presidente do Conselho de Administração da Forschungszentrum Jülich. "A longo prazo, queremos criar um computador quântico de livre acesso para a ciência em Jülich. O projeto QUASAR é uma etapa importante para este projeto - em combinação com nossas outras atividades, como o European Quantum Flagship ou a pesquisa de materiais quânticos. "
Qubits de spin de elétrons de silício são um sistema promissor para qubits de semicondutores porque têm propriedades quânticas comparativamente robustas e são muito menores em tamanho do que os bits quânticos supercondutores. “Uma grande vantagem é que sua produção é amplamente compatível com a produção de processadores de silício. Isso significa que, em princípio, já existe muita experiência com os processos de fabricação, "diz o coordenador do projeto, Professor Hendrik Bluhm, Diretor do Instituto JARA de Informação Quântica em Forschungszentrum Jülich. Um exemplo é a Infineon em Dresden:no projeto, o fabricante alemão de semicondutores ajuda com sua experiência de produção adaptando o design do componente para a manufatura industrial.
"Questões fundamentais ainda precisam ser esclarecidas. Até agora, não foi possível aumentar a escala dos chips quânticos tão facilmente quanto os chips de computador convencionais. Um problema são as restrições geométricas. Os qubits geralmente precisam estar muito próximos para que possam ser acoplados uns aos outros. Portanto, Os qubits semicondutores foram demonstrados até agora principalmente em componentes que não têm mais do que dois qubits acoplados próximos um do outro. Para uma arquitetura escalável, Contudo, precisamos de mais espaço no chip quântico, por exemplo, para linhas de alimentação e eletrônicos de controle, "diz Hendrik Bluhm.
Para aumentar as distâncias, os pesquisadores da cooperação JARA de Forschungszentrum Jülich e RWTH Aachen University, junto com outros parceiros de pesquisa, desenvolveram algo chamado barramento quântico. Este elemento de interconexão especial permite que distâncias de até 10 micrômetros entre os qubits individuais sejam interligados com eficiência. Em qubits de silício, a informação quântica é codificada pelo spin dos elétrons localizados em pontos quânticos - estruturas semicondutoras nanoscópicas especiais. O barramento quântico pode capturar os elétrons nesses pontos quânticos e transportá-los de forma controlada sem perder as informações quânticas.
Coordenador do projeto, Prof. Dr. Hendrik Bluhm (2 ° a partir da esquerda) no JARA Institute for Quantum Information. Crédito:Simon Wegener
Do laboratório à produção
A troca de elétrons também é conhecida como "vaivém". No laboratório, amostras experimentais já apresentam resultados promissores. Agora, os pesquisadores de Jülich querem adaptar o design do dispositivo aos processos de fabricação industrial. Para este fim, eles uniram forças no projeto QUASAR com a Infineon Dresden, o HQS inicial especializado em simulações de materiais de mecânica quântica, institutos da Fraunhofer-Gesellschaft (IAF, IPMS), bem como a Leibniz Association (IHP, IKZ) e as universidades de Regensburg e Konstanz.
"Um dos desafios aqui é o grau exigido de qualidade do material, que é muito maior para esta aplicação do que para a produção de chips de computador convencionais, "diz Hendrik Bluhm." Outro ponto em aberto é a miniaturização dos sistemas de controle no chip. Em princípio, Contudo, vemos um grande potencial nesta abordagem para circuitos complexos. Milhões de qubits são realistas. "
O projeto QUASAR será executado até janeiro de 2025. O próximo passo é construir um demonstrador com cerca de 25 qubits acoplados, que será implementado em um projeto de acompanhamento e integrado ao ambiente modular HPC do Jülich Supercomputing Center através da "Jülich User Infrastructure for Quantum Computing" (JUNIQ) com acesso à nuvem.
