A corrida pelo computador quântico provavelmente será decidida no bit quântico (qubit) - a menor unidade de informação do computador quântico. O acoplamento de vários qubits em um sistema de computação é atualmente um dos maiores desafios no desenvolvimento de computadores quânticos. Uma questão chave é qual sistema físico e qual material são mais adequados para qubits. O desenvolvimento de qubits baseados em supercondutores avançou muito - mas há sinais crescentes de que a tecnologia de semicondutores de silício pode ser uma alternativa promissora com vantagens decisivas na produção de chips.

O bit clássico é a menor unidade de armazenamento de dados de nossos computadores atuais. Pode assumir exatamente dois valores:Um e zero - ou em outras palavras:Uma corrente flui ("um") ou não flui ("zero"). O bit quântico, por outro lado, não se limita a estes dois estados:pode assumir um estado intermediário de um e zero ao mesmo tempo, conhecido como "superposição". Somente no momento da medição este estado intermediário é levado a um valor fixo. Em outras palavras:Considerando que os bits normais têm um valor definido a qualquer momento, os qubits assumem um valor definido apenas no respectivo momento de medição. Essa propriedade é a base para o enorme poder de computação que os computadores quânticos podem aproveitar para alguns problemas.

Isso torna o armazenamento dessas informações quânticas muito mais complicado - uma simples "corrente ligada / desligada" não é suficiente. Em vez de, os processos mais rápidos e menores no espaço e no tempo servem como base:Estados quânticos de elétrons ou fótons podem ser usados ​​para implementar um qubit. No caso de bits quânticos de silício, o momento angular intrínseco de um único elétron - o spin do elétron - é usado para armazenamento de informações. Aqui, a direção de rotação do elétron em combinação com seu estado quântico codifica a informação quântica. Isto é, Compreensível, altamente frágil, já que mesmo os distúrbios mais sutis no nível atômico podem afetar o momento angular de um elétron e destruir a informação quântica.

Desafio de hoje:acoplar bits quânticos

Uma tarefa ainda mais difícil é interconectar bits quânticos porque um único bit quântico não é suficiente para realizar uma operação aritmética. Assim como os computadores padrão, os computadores quânticos requerem que vários bits (quânticos) sejam ligados entre si para formar um sistema de computação:Consequentemente, os qubits individuais devem ser capazes de interagir uns com os outros. Se os qubits a serem acoplados estiverem distantes no chip, um qubit deve primeiro ser trazido para a vizinhança do outro com uma espécie de "barramento quântico" para permitir uma operação de computação.

No caso do qubit baseado em spin, isso significa que o momento angular de um elétron deve ser transportado ou transferido para outro elétron com precisão e com um mínimo de perturbação - e não apenas uma vez, mas potencialmente milhares ou mesmo milhões de vezes. Um desafio para a ciência - interconectar os qubits é provavelmente o maior obstáculo no desenvolvimento de computadores quânticos. "Faz diferença se você configurar um único bit quântico ou se você agrupar dezenas, centenas ou milhares deles. Podem ocorrer interações entre os qubits que são difíceis de controlar, "descreve o professor Guido Burkard, professor de física teórica da matéria condensada e informação quântica na Universidade de Konstanz.

Atualmente, os protótipos de computador quântico mais avançados alcançam o acoplamento de cerca de 20 a 50 qubits. “Já é um grande sucesso. No entanto, ainda há um longo caminho a percorrer antes de chegarmos a uma aplicação real. Milhares ou milhões de qubits são necessários para realizar operações aritméticas significativas, "diz Guido Burkard.

O potencial do silício

Os sistemas de computador quântico mais avançados até hoje são baseados em supercondutores. Os sistemas baseados em supercondutores são extremamente poderosos, mas eles têm que lidar com limitações:eles não operam em temperatura ambiente, mas em temperaturas um pouco acima do zero absoluto (em torno de -273 C). Além disso, supercondutores são relativamente intensivos em energia e comparativamente grandes do ponto de vista da miniaturização técnica, de modo que apenas um pequeno número de qubits baseados em supercondutores cabem em um chip.

Juntamente com o desenvolvimento de qubits supercondutores, a pesquisa também está indo para sistemas alternativos. O silício é um dos materiais mais promissores:"Acreditamos que os qubits de semicondutores baseados em silício oferecem grandes perspectivas, "explica Guido Burkard. Os bits quânticos baseados em silício têm a vantagem de que, tendo apenas alguns nanômetros de tamanho, eles são decididamente menores do que os sistemas supercondutores. Consequentemente, muitos mais deles podem ser colocados em um chip de computador - potencialmente milhões. "Além disso, a indústria já tem décadas de experiência com tecnologia de semicondutores de silício. O desenvolvimento e a produção de qubits à base de silício se beneficiam enormemente com isso - o que não é uma vantagem pequena, “Guido Burkard explica.

Já em 2017, Equipe de pesquisa de Guido Burkard, em colaboração com a Princeton University e a University of Maryland, conseguiu criar uma "porta quântica" estável para qubits de silício - ou seja, um sistema de comutação para sistemas inicialmente de dois qubit que era capaz de realizar todas as operações básicas do computador quântico. Um marco no qual os físicos agora estão construindo:"Nossa tarefa agora é aumentar e interconectar o maior número possível de qubits de silício com um mínimo de diafonia, "Burkard diz. Para atingir esse objetivo, ele agora juntou forças com equipes de pesquisa líderes no campo do desenvolvimento de qubit no âmbito de três grandes redes de pesquisa em níveis da Europa, Alemanha e Baden-Württemberg.