Kvantové počítače v křemíku

V jednotkovém iontovém implantéru TIBUSSII (Triple Ion Beam UHV System pro jednotlivé implantace iontů) lze cíleně vnášet jednotlivé cizí atomy do materiálu, například k vytvoření kvantových bitů. (Obrázek: B. Schröder / HZDR) / V jednotkovém iontovém implantéru TIBUSSII (Triple Ion Beam UHV System pro jednotlivé implantace iontů) lze jednotlivé dopanty implantovat atom po atomu do materiálu, například k vytvoření kvantových bitů. (Zdroj: B. Schröder / HZDR)

Konfederace EQUSPACE (Umožnění nových kvantových hranic pomocí spinové akustiky v křemíku) získala 3,2 milionu eur z programu podpory Pathfinder Open Evropské rady pro inovace (European Innovation Council – EIC) na podporu vývoje kvantových technologií na bázi křemíku. Projekt spojuje vedle Helmholtzova centra Dresden-Rossendorf (HZDR) čtyři další partnery ze tří zemí EU a sdružuje experty z oblastí spinových kvbitů, optomechaniky a atomových modifikací křemíku, aby vyvinuli novou kvantovou platformu na bázi křemíku.

Ačkoliv je křemík hlavním materiálem pro klasické počítače, v současných preferovaných konceptech kvantových počítačů nehraje klíčovou roli. Bylo by však velmi rozumné využít již vyvinutou infrastrukturu na bázi polovodičové technologie, která stojí několik miliard eur, i pro zpracování kvantových bitů – kvantových informačních jednotek. Výzkumníci ukázali, že takzvané donorové spinové kvbity jsou na to zvlášť vhodné. Tyto kvbity využívají vlastnost cizích atomů, jejich spin, k zpracování informací. V porovnání s jinými kvantovými systémy se vyznačují dlouhými dobami stability, během nichž zůstávají stabilní, což umožňuje provádět kvantové výpočetní operace. V současnosti však nejsou hlavním pracovním nástrojem komerčních kvantových počítačů, protože neexistují vhodné mechanismy pro spojování a čtení, které by umožnily jejich škálování na prakticky využitelnou úroveň.

EQUSPACE si nyní klade za cíl vytvořit v Evropě dlouhodobou budoucnost pro donorové spinové kvbity na bázi křemíku. Platforma chce propojit kvantové bity založené na malých atomových spinech prostřednictvím akustických vln ve vibrujících strukturách. Kromě toho budou využity lasery a jednotlivé tranzistory elektronů, aby bylo možné na konci kvantových výpočtů elektricky přečíst výsledek. Projekt má nabídnout škálovatelné řešení pro všechny klíčové aspekty kvantové platformy: řízení a čtení výsledku, spin-spinové spojení mezi kvbitmi a přenos kvantových informací mezi výpočetními jednotkami na čipu. Konečným výsledkem by mohla být kompletní kvantová informační platforma, která bude zahrnovat kvbity, spojovací prvky a škálovatelné řídicí a čtecí elektroniky.

Expertíza HZDR v oblasti kvantových technologií na bázi křemíku

Tým z Institutu pro iontové paprsky a materiálový výzkum na HZDR přinese svou expertízu v atomové modifikaci křemíku pro kvantové aplikace a bude dále rozvíjet materiálově-vědecké metody, které jsou základem projektu. Tým využije fokusovaný iontový paprsek k lokální obohacení ultračistého křemíku izotopem křemíku-28. Výhodou křemíku-28 je, že jeho jádra nemají spin, což znamená, že nebudou ovlivněna magnetickými poli nebo spinem jiných částic, a tím nebudou rušit výpočty. „Díky cílené obohacení speciálními izotopy zůstává kvantový stav déle stabilní. To umožňuje složitější kvantové operace a platforma může perspektivně překonat klasické počítače i jiné kvantové systémy,“ říká vedoucí projektu Dr. Nico Klingner.

Kromě izotopové čištění tým vyvíjí implantaci jednotlivých iontů donorových atomů. Cílem je implantovat jednotlivé atomy bismutu, jejichž spin tvoří dvou-stavový systém, který může ukazovat buď „nahoru“, nebo „dolů“. Zvláštností těchto kvbitů je, že při velmi nízkých teplotách mohou oba stavy existovat současně v superpozici: spin se může nacházet současně v kombinaci stavů „nahoru“ a „dolů“. Tak mohou kvantové počítače provádět mnoho výpočtů paralelně, což může výrazně zvýšit jejich výpočetní výkon.

Jednou z hlavních výhod donorových spinových kvbitů je jejich relativní stabilita ve srovnání s jinými typy kvbitů, například těmi založenými na supravodivých obvodech. Spin v donorovém atomu je méně náchylný k rušení z okolí, takže kvantový stav může být udržen po delší dobu. Tato stabilita je nezbytná pro škálování kvantových počítačů na větší počet kvbitů, aniž by došlo ke ztrátě koherence nebo přesnosti výpočtů. „Tyto příspěvky HZDR, zejména v oblastech izotopového čištění, implantace a napěťové optimalizace v polovodičích, jsou zásadní pro úspěch projektu EQUSPACE,“ odhaduje profesor Juha Muhonen, koordinátor projektu.

Posilování pozice Evropy v globální kvantové soutěži

Konfederaci EQUSPACE tvoří vědci z Univerzity Jyväskylä, finského Technického výzkumného centra VTT, HZDR, NWO-Institutu AMOLF v Nizozemsku a finského startupu SemiQon Oy. Spolupráce odráží rostoucí angažovanost Evropy v celosvětové kvantové soutěži. Vzhledem k zhoršující se globální konkurenci čelí evropský kvantový průmysl velkým výzvám od předních zemí, jako jsou USA, Čína, Kanada a Austrálie.

„Přístup EQUSPACE je klíčový pro to, aby Evropa zůstala konkurenceschopná v rychle se rozvíjející oblasti kvantových technologií. Díky této podpoře buduje EQUSPACE silnou výzkumnou síť v Evropě založenou na donorových spinových kvbitů – vývoj, který dlouhodobě posílí evropský kvantový průmysl,“ vysvětluje Muhonen. Financování je součástí programu Horizont Evropa. Projekt, který vede Univerzita Jyväskylä, začne 1. února 2025.

Financováno Evropskou unií. Vyjádřené názory a stanoviska jsou však výhradně názory autorů a nemusí nutně odrážet názory Evropské unie nebo Evropské rady pro inovace. Evropská unie ani schvalovací orgán nenesou za ně odpovědnost.

Další informace:

Prof. Juha Muhonen
Univerzita Jyväskylä
Tel.: +358401905352 | E-mail: juha.t.muhonen@jyu.fi

Dr. Nico Klingner
Institut pro iontové paprsky a materiálový výzkum na HZDR
Tel.: +49 351 260 2524 | E-mail: n.klingner@hzdr.de