La corsa per il computer quantistico molto probabilmente sarà decisa al bit quantistico (qubit), la più piccola unità di informazione del computer quantistico. L'accoppiamento di diversi qubit in un sistema informatico è attualmente una delle maggiori sfide nello sviluppo dei computer quantistici. Una domanda chiave è quale sistema fisico e quale materiale sono più adatti per i qubit. Lo sviluppo di qubit basati su superconduttori è avanzato più lontano, ma ci sono segnali crescenti che la tecnologia dei semiconduttori al silicio potrebbe essere un'alternativa promettente con vantaggi decisivi nella produzione di chip.

Il bit classico è la più piccola unità di memorizzazione dei dati dei nostri computer attuali. Può assumere esattamente due valori:uno e zero, o in altre parole:una corrente scorre ("uno") o non scorre ("zero"). Il bit quantico, d'altra parte, non è limitato a questi due stati:può assumere uno stato intermedio di uno e zero allo stesso tempo, noto come "sovrapposizione". Solo al momento della misurazione questo stato intermedio viene portato ad un valore fisso. In altre parole:mentre i bit normali hanno un valore definito in un dato momento, i qubit assumono un valore definito solo al rispettivo momento della misurazione. Questa proprietà è la base per l'enorme potenza di calcolo che i computer quantistici possono sfruttare per alcuni problemi.

Ciò rende l'archiviazione di tali informazioni quantistiche molto più complicata:un semplice "corrente acceso/spento" non è sufficiente. Anziché, i processi più veloci e più piccoli nello spazio e nel tempo servono come base:gli stati quantistici di elettroni o fotoni possono essere utilizzati per implementare un qubit. Nel caso dei bit quantici di silicio, il momento angolare intrinseco di un singolo elettrone, lo spin dell'elettrone, viene utilizzato per la memorizzazione delle informazioni. Qui, la direzione di rotazione dell'elettrone in combinazione con il suo stato quantistico codifica l'informazione quantistica. Questo è, comprensibilmente, molto fragile, poiché anche i più sottili disturbi a livello atomico possono influenzare il momento angolare di un elettrone e distruggere l'informazione quantistica.

La sfida di oggi:accoppiare bit quantici

Un compito ancora più difficile è interconnettere i bit quantistici perché un singolo bit quantistico non è sufficiente per eseguire un'operazione aritmetica. Proprio come i computer standard, I computer quantistici richiedono che più bit (quantici) siano collegati insieme per formare un sistema di calcolo:di conseguenza, i singoli qubit devono essere in grado di interagire tra loro. Se i qubit da accoppiare sono distanti sul chip, un qubit deve prima essere portato in prossimità dell'altro con una sorta di "bus quantistico" per consentire un'operazione di calcolo.

Nel caso del qubit basato su spin, ciò significa che il momento angolare di un elettrone deve essere trasportato o trasferito ad un altro elettrone con precisione e con il minimo disturbo, e non solo una volta, ma potenzialmente migliaia o addirittura milioni di volte. Una sfida per la scienza:l'interconnessione dei qubit è attualmente probabilmente il più grande ostacolo nello sviluppo dei computer quantistici. "Fa differenza se imposti un singolo bit quantico o se ne combini decine, centinaia o migliaia di loro. Possono verificarsi interazioni tra i qubit difficili da controllare, " descrive il professor Guido Burkard, professore di fisica della materia condensata teorica e informazione quantistica all'Università di Costanza.

Attualmente, i prototipi di computer quantistici più avanzati raggiungono un accoppiamento di circa 20-50 qubit. "Questo è già un grande successo. Tuttavia, c'è ancora molta strada da fare prima di arrivare a un'applicazione effettiva. Sono necessari migliaia o milioni di qubit per eseguire operazioni aritmetiche significative, " dice Guido Burkard.

Il potenziale del silicio

I sistemi informatici quantistici più avanzati fino ad oggi sono basati su superconduttori. I sistemi basati su superconduttori sono estremamente potenti, ma devono fare i conti con dei limiti:non funzionano a temperatura ambiente, ma a temperature appena sopra lo zero assoluto (intorno a -273 C). Inoltre, i superconduttori sono relativamente energivori e relativamente grandi dal punto di vista della miniaturizzazione tecnica, in modo che solo un piccolo numero di qubit basati su superconduttori si adatti a un chip.

Accanto all'ulteriore sviluppo dei qubit superconduttori, la ricerca sta entrando anche in sistemi alternativi. Il silicio è uno dei materiali più promettenti:"Crediamo che i qubit semiconduttori a base di silicio offrano grandi prospettive, " spiega Guido Burkard. I bit quantistici a base di silicio hanno il vantaggio che, essendo di pochi nanometri, sono decisamente più piccoli dei sistemi superconduttori. Di conseguenza, molti di più possono essere inseriti in un chip di computer, potenzialmente milioni. "Inoltre, l'industria ha già decenni di esperienza con la tecnologia dei semiconduttori al silicio. Lo sviluppo e la produzione di qubit a base di silicio beneficiano enormemente di questo, che non è un vantaggio da poco, "Spiega Guido Burkard.

Già nel 2017, Il gruppo di ricerca di Guido Burkard, in collaborazione con l'Università di Princeton e l'Università del Maryland, è riuscito a creare una "porta quantistica" stabile per i qubit di silicio, ad es. un sistema di commutazione per sistemi inizialmente a due qubit che era in grado di eseguire tutte le operazioni di base del computer quantistico. Una pietra miliare su cui i fisici stanno ora costruendo:"Il nostro compito ora è aumentare e interconnettere il maggior numero possibile di qubit di silicio con un minimo di diafonia, " dice Burkard. Per raggiungere questo obiettivo, ora ha unito le forze con i principali gruppi di ricerca nel campo dello sviluppo di qubit nell'ambito di tre grandi reti di ricerca a livello europeo, Germania e Baden-Württemberg.