La corsa al computer quantistico è in pieno svolgimento. La Germania è da tempo uno dei leader mondiali nella ricerca di base. Un'alleanza tra Forschungszentrum Jülich e il produttore di semiconduttori Infinion, insieme agli istituti della Fraunhofer-Gesellschaft (IAF, IPMS) e l'Associazione Leibniz (IHP, IKZ), le università di Ratisbona e Costanza e la start-up quantistica HQS, ora mira ad applicare i risultati alla produzione industriale. L'obiettivo è un processore quantistico a semiconduttore made in Germany che si basi sullo "shuttling" degli elettroni e deve essere raggiunto con la tecnologia disponibile in Germania. Il progetto QUASAR, finanziato con oltre 7,5 milioni di euro dal Ministero Federale dell'Istruzione e della Ricerca (BMBF), mira a gettare le basi per la produzione industriale di processori quantistici nei prossimi quattro anni.

I computer quantistici hanno il potenziale per superare di gran lunga i supercomputer convenzionali in determinati problemi, ad esempio quando si tratta di controllare i flussi di traffico nelle aree metropolitane o simulare materiali a livello atomico. Ma non è ancora chiaro quale approccio vincerà la gara tra i computer quantistici. Esperimenti con qubit superconduttori, le unità più piccole di un computer quantistico, sono attualmente i più avanzati. Per esempio, I chip quantistici di Google e il computer quantistico sperimentale nel progetto European Quantum Flagship, che entrerà in funzione quest'anno al Forschungszentrum Jülich, si basano su di essi. Ma quando si tratta di un gran numero di qubit, i qubit a semiconduttore possono avere il vantaggio.

"A Julich, stiamo studiando entrambi i tipi di qubit, basati su semiconduttori e basati su superconduttori. Ci sono forti effetti sinergici, Per esempio, nello sviluppo di software quantistico, sviluppo di componenti e loro integrazione in architetture informatiche sperimentali, " dice il prof. Wolfgang Marquardt, Presidente del Consiglio di amministrazione del Forschungszentrum Jülich. "A lungo termine, vogliamo realizzare un computer quantistico per la scienza liberamente accessibile a Jülich. Il progetto QUASAR è un passo importante per questo progetto, in combinazione con le nostre altre attività, come l'European Quantum Flagship o la ricerca sui materiali quantistici."

I qubit di spin di elettroni di silicio sono un sistema promettente per i qubit di semiconduttori perché hanno proprietà quantistiche relativamente robuste e sono di dimensioni molto più piccole rispetto ai bit quantistici superconduttori. "Un grande vantaggio è che la loro produzione è ampiamente compatibile con la produzione di processori al silicio. Ciò significa che, in linea di principio, c'è già molta esperienza con i processi di fabbricazione, " afferma il coordinatore del progetto, il professor Hendrik Bluhm, Direttore del JARA Institute for Quantum Information al Forschungszentrum Jülich. Un esempio è Infineon a Dresda:nel progetto, il produttore tedesco di semiconduttori aiuta con la sua esperienza di produzione ad adattare il design dei componenti per la produzione industriale.

"Le questioni fondamentali devono ancora essere chiarite. Finora, non è stato possibile scalare i chip quantistici con la stessa facilità dei chip per computer convenzionali. Un problema sono stati i vincoli geometrici. I qubit di solito devono essere molto vicini tra loro per poter essere accoppiati tra loro. Perciò, i qubit a semiconduttore sono stati finora dimostrati principalmente in componenti che non hanno più di due qubit accoppiati vicini l'uno all'altro. Per un'architettura scalabile, però, abbiamo bisogno di più spazio sul chip quantistico, ad esempio per linee di alimentazione ed elettronica di controllo, "dice Hendrik Bluhm.

Per aumentare le distanze, i ricercatori della cooperazione JARA di Forschungszentrum Jülich e RWTH Aachen University, insieme ad altri partner di ricerca, hanno sviluppato un qualcosa chiamato bus quantistico. Questo speciale elemento di interconnessione consente di colmare in modo efficiente distanze fino a 10 micrometri tra i singoli qubit. Nei qubit di silicio, l'informazione quantistica è codificata dallo spin degli elettroni situati in punti quantici, speciali strutture semiconduttrici nanoscopiche. Il bus quantistico può catturare gli elettroni su questi punti quantici e trasportarli in modo controllato senza perdere le informazioni quantistiche.

Dal laboratorio alla produzione

Lo scambio di elettroni è noto anche come "shuttling". In laboratorio, i campioni sperimentali stanno già mostrando risultati promettenti. Ora i ricercatori Jülich vogliono adattare il design del dispositivo ai processi di produzione industriale. A tal fine, hanno unito le forze nel progetto QUASAR con Infineon Dresden, la start-up HQS specializzata in simulazioni di materiali quantomeccanici, istituti della Fraunhofer-Gesellschaft (IAF, IPMS) e l'Associazione Leibniz (IHP, IKZ) e le università di Ratisbona e Costanza.

"Una delle sfide qui è il grado richiesto di qualità del materiale, che è molto più alto per questa applicazione rispetto alla produzione di chip per computer convenzionali, " dice Hendrik Bluhm. "Un altro punto aperto è la miniaturizzazione dei sistemi di controllo sul chip. In linea di principio, però, vediamo un grande potenziale in questo approccio per circuiti complessi. Milioni di qubit sono realistici."

Il progetto QUASAR durerà fino a gennaio 2025. Il prossimo passo è costruire un dimostratore con circa 25 qubit accoppiati, che sarà implementato in un progetto di follow-up e integrato nell'ambiente HPC modulare del Jülich Supercomputing Center tramite la "Jülich User Infrastructure for Quantum Computing" (JUNIQ) con accesso cloud.