Os computadores quânticos têm o potencial de exceder amplamente as capacidades dos computadores convencionais para determinadas tarefas. Mas ainda há um longo caminho a percorrer antes que eles possam ajudar a resolver problemas do mundo real. Muitas aplicações requerem processadores quânticos com milhões de bits quânticos. Os protótipos de hoje apenas apresentam algumas dessas unidades de computação.
"Atualmente, cada qubit individual está conectado através de várias linhas de sinal para controlar unidades do tamanho de um armário. Isso ainda funciona para alguns qubits. Mas não faz mais sentido se você quiser colocar milhões de qubits no chip. Porque isso ' é necessário para a correção de erros quânticos", diz o Dr. Lars Schreiber do JARA Institute for Quantum Information em Forschungszentrum Jülich e RWTH Aachen University.

Em algum momento, o número de linhas de sinal se torna um gargalo. As linhas ocupam muito espaço em comparação com o tamanho dos minúsculos qubits. E um chip quântico não pode ter milhões de entradas e saídas – um chip clássico moderno contém apenas cerca de 2.000 delas. Juntamente com colegas da Forschungszentrum Jülich e da RWTH Aachen University, Schreiber vem realizando pesquisas há vários anos para encontrar uma solução para esse problema.

Seu objetivo geral é integrar partes da eletrônica de controle diretamente no chip. A abordagem é baseada nos chamados qubits de spin semicondutor feitos de silício e germânio. Este tipo de qubit é comparativamente pequeno. Os processos de fabricação correspondem amplamente aos dos processadores de silício convencionais. Isso é considerado vantajoso quando se trata de realizar muitos qubits. Mas primeiro, algumas barreiras fundamentais precisam ser superadas.

"O emaranhamento natural causado apenas pela proximidade das partículas é limitado a um alcance muito pequeno, cerca de 100 nanômetros. Para acoplar os qubits, eles atualmente precisam ser colocados muito próximos uns dos outros. Simplesmente não há espaço para eletrônica de controle que gostaríamos de instalar lá", diz Schreiber.

Para diferenciar os qubits, o JARA Institute for Quantum Information (IQI) teve a ideia de um ônibus quântico. Este componente especial deve ajudar a trocar informações quânticas entre os qubits em distâncias maiores. Os pesquisadores trabalham no "ônibus quântico" há cinco anos e já depositaram mais de 10 patentes. A pesquisa começou como parte do consórcio europeu QuantERA Si-QuBus e agora está sendo continuada no projeto nacional QUASAR do Ministério Federal de Educação e Pesquisa (BMBF) juntamente com parceiros industriais.

"Cerca de 10 micrômetros precisam ser ligados de um qubit para o outro. De acordo com a teoria, milhões de qubits podem ser realizados com essa arquitetura. Recentemente, previmos isso em colaboração com engenheiros de circuito do Instituto Central de Engenharia, Eletrônica e Análise da Forschungszentrum Jülich", explica o Diretor do Instituto IQI, Prof. Hendrik Bluhm. Pesquisadores da TU Delft e da Intel também chegaram a essa mesma conclusão.

Um passo importante foi agora alcançado por Lars Schreiber e sua equipe. Eles conseguiram transportar um elétron 5.000 vezes em uma distância de 560 nanômetros sem erros significativos. Isso corresponde a uma distância de 2,8 milímetros. Os resultados foram publicados em npj Quantum Information .

Elétrons 'Navegando'

Uma melhoria essencial:os elétrons são acionados por meio de quatro sinais de controle simples, que, ao contrário das abordagens anteriores, não se tornam mais complexos em distâncias maiores. Isso é importante porque, caso contrário, seria necessária uma eletrônica de controle extensa, que ocuparia muito espaço - ou não poderia ser integrada ao chip.

Essa conquista é baseada em uma nova maneira de transportar elétrons. "Até agora, as pessoas tentaram orientar os elétrons especificamente em torno de distúrbios individuais em seu caminho. Ou criaram uma série dos chamados pontos quânticos e deixaram os elétrons saltarem de um desses pontos para outro. Ambas as abordagens exigem ajuste preciso do sinal, o que resulta em eletrônica de controle muito complexa", explica Lars Schreiber. "Em contraste, geramos uma onda potencial na qual os elétrons simplesmente navegam sobre várias fontes de interferência. Alguns sinais de controle são suficientes para uma onda tão uniforme; quatro pulsos senoidais são suficientes."

Como próximo passo, os físicos agora querem mostrar que a informação do qubit codificada no spin do elétron não é perdida durante o transporte. Cálculos teóricos já mostraram que isso é possível no silício em certas faixas de velocidade. O barramento quântico abre caminho para uma arquitetura de computador quântico escalável que também pode servir de base para vários milhões de qubits. + Explorar mais

Lançado ônibus quântico para processador quântico fabricado na Alemanha