I computer quantistici hanno il potenziale per superare di gran lunga le capacità dei computer convenzionali per determinate attività. Ma c'è ancora molta strada da fare prima che possano aiutare a risolvere i problemi del mondo reale. Molte applicazioni richiedono processori quantistici con milioni di bit quantistici. I prototipi di oggi si limitano a fornire alcune di queste unità di calcolo.

"Attualmente, ogni singolo qubit è collegato tramite diverse linee di segnale a unità di controllo delle dimensioni di un armadio. Funziona ancora per pochi qubit. Ma non ha più senso se vuoi mettere milioni di qubit sul chip. Perché ciò è necessario per la correzione degli errori quantistici", afferma il dott. Lars Schreiber del JARA Institute for Quantum Information presso Forschungszentrum Jülich e RWTH Aachen University.

Ad un certo punto, il numero di linee di segnale diventa un collo di bottiglia. Le linee occupano troppo spazio rispetto alle dimensioni dei minuscoli qubit. E un chip quantistico non può avere milioni di input e output:un chip classico moderno ne contiene solo circa 2.000. Insieme ai colleghi del Forschungszentrum Jülich e della RWTH Aachen University, Schreiber conduce ricerche da diversi anni per trovare una soluzione a questo problema.

Il loro obiettivo generale è integrare parti dell'elettronica di controllo direttamente sul chip. L'approccio si basa sui cosiddetti qubit di spin a semiconduttore fatti di silicio e germanio. Questo tipo di qubit è relativamente piccolo. I processi di produzione corrispondono ampiamente a quelli dei tradizionali processori al silicio. Questo è considerato vantaggioso quando si tratta di realizzare moltissimi qubit. Ma prima bisogna superare alcune barriere fondamentali.

"L'entanglement naturale causato dalla vicinanza delle sole particelle è limitato a un intervallo molto piccolo, circa 100 nanometri. Per accoppiare i qubit, attualmente devono essere posizionati molto vicini l'uno all'altro. Semplicemente non c'è spazio per ulteriori elettronica di controllo che vorremmo installare lì", afferma Schreiber.

Per distinguere i qubit, il JARA Institute for Quantum Information (IQI) ha avuto l'idea di una navetta quantistica. Questo componente speciale dovrebbe aiutare a scambiare informazioni quantistiche tra i qubit su distanze maggiori. I ricercatori lavorano da cinque anni sul "bus quantistico" e hanno già depositato più di 10 brevetti. La ricerca è iniziata nell'ambito del consorzio europeo QuantERA Si-QuBus ed è ora proseguita nel progetto nazionale QUASAR del Ministero Federale dell'Istruzione e della Ricerca (BMBF) insieme a partner industriali.

"Circa 10 micrometri devono essere collegati da un qubit all'altro. Secondo la teoria, milioni di qubit possono essere realizzati con un'architettura del genere. Recentemente l'abbiamo previsto in collaborazione con gli ingegneri di circuito del Central Institute for Engineering, Electronics and Analytics a Forschungszentrum Jülich", spiega il prof. Hendrik Bluhm, direttore dell'IQI Institute. Anche i ricercatori di TU Delft e Intel sono giunti a questa stessa conclusione.

Un passo importante è stato raggiunto da Lars Schreiber e dal suo team. Sono riusciti a trasportare un elettrone 5000 volte su una distanza di 560 nanometri senza errori significativi. Ciò corrisponde a una distanza di 2,8 millimetri. I risultati sono stati pubblicati in npj Quantum Information .

Elettroni di "navigazione"

Un miglioramento essenziale:gli elettroni sono guidati per mezzo di quattro semplici segnali di controllo, che, contrariamente agli approcci precedenti, non diventano più complessi su distanze maggiori. Questo è importante perché altrimenti sarebbe necessaria un'elettronica di controllo estesa, che occuperebbe troppo spazio o non potrebbe essere integrata nel chip.

Questo risultato si basa su un nuovo modo di trasportare gli elettroni. "Fino ad ora, le persone hanno cercato di guidare gli elettroni in modo specifico attorno ai disturbi individuali sul loro percorso. Oppure hanno creato una serie di cosiddetti punti quantici e hanno lasciato che gli elettroni saltassero da uno di questi punti all'altro. Entrambi gli approcci richiedono una precisa regolazione del segnale, il che si traduce in un'elettronica di controllo troppo complessa", spiega Lars Schreiber. "Al contrario, generiamo un'onda potenziale su cui gli elettroni navigano semplicemente su varie fonti di interferenza. Pochi segnali di controllo sono sufficienti per un'onda così uniforme; bastano quattro impulsi sinusoidali."

Come passo successivo, i fisici ora vogliono mostrare che le informazioni sui qubit codificate nello spin dell'elettrone non vanno perse durante il trasporto. Calcoli teorici hanno già dimostrato che ciò è possibile nel silicio in determinati intervalli di velocità. Il bus quantistico apre così la strada a un'architettura di computer quantistica scalabile che può anche fungere da base per diversi milioni di qubit. + Esplora ulteriormente

Lanciata la navetta quantistica per il processore quantistico prodotto in Germania