Szilícium kvantumszámítógépek

Az egyedi ionimplantáló TIBUSSII-ben (Triple Ion Beam UHV System for Single Ion Implantation) egyedi idegen atomokat lehet célzottan bejuttatni egy anyagba, például kvantumpárok létrehozására. (Kép: B. Schröder / HZDR) / Az egyedi ionimplantáló TIBUSSII-ben (Triple Ion Beam UHV System for Single Ion Implantation) egyedi dopantokat lehet atomról atomra bejuttatni egy anyagba, például kvantumpárok generálására. (Forrás: B. Schröder / HZDR)

Az EQUSPACE-konszorcium (Új kvantumhatárok lehetővé téve spin akusztikával Szilíciumban) 3,2 millió eurót kapott az Európai Innovációs Tanács (European Innovation Council – EIC) Pathfinder Open támogatási programjától, hogy elősegítse a szilícium-alapú kvantatechnológiák fejlesztését. A projekthez a Helmholtz-Drezda-Rossendorf Központ (HZDR) mellett négy további partner csatlakozik három EU-országból, és szakértőket von össze a spin-Qubit-ek, optomechanika és atom szilícium módosítások területeiről, hogy egy új típusú kvantumplatformot fejlesszenek ki szilíciumon.

Bár a szilícium a klasszikus számítógépek központi anyaga, jelenleg nem játszik kulcsszerepet a legnépszerűbb kvantumszámítógép-konceptusokban. Ugyanakkor nagyon értelmes lenne a félvezető-technológiával már kifejlesztett, több milliárd eurós szilícium-infrastruktúrát is felhasználni a kvantuminformáció-egységek, azaz a kvantumállapotok feldolgozására. A kutatók kimutatták, hogy az úgynevezett donor-spin-Qubit-ek különösen alkalmasak erre a célra. Ezek a Qubit-ek egy idegen atom tulajdonságát, a spinjét használják az információ feldolgozására. Hosszú időtartamokra stabilak, összehasonlítva más kvantumrendszerekkel, így lehetőség nyílik kvantumműveletek végrehajtására. Jelenleg azonban nem ezek a kereskedelmi kvantumszámítógépek fő alkotóelemei, mivel nincs megfelelő összekapcsolási és olvasási mechanizmus, amelyek a skálázást egy gyakorlatilag használható szintre tennék lehetővé.

Az EQUSPACE célja, hogy Európában hosszú távú jövőt teremtsen a szilíciumon alapuló donor-spin-Qubit-ek számára. A platform a hanghullámokon keresztül kívánja összekapcsolni a kisméretű atomspin-alapú Qubit-eket. Emellett lézereket és egyedi elektrontranszisztorokat alkalmaznak, hogy a kvantumművelet végén az eredményt elektromosan olvassák ki. A projekt egy skálázható megoldást kíván nyújtani minden fontos aspektusára egy kvantumplatformnak: az eredmény irányítására és olvasására, a spin-spin kapcsolatra a Qubit-ek között, valamint a kvantuminformáció továbbítására a számítási egységek között a chipen. A végső eredmény egy teljes értékű kvantuminformációs platform lehet, amely magában foglalja a Qubit-eket, összekötő elemeket és skálázható vezérlő- és olvasó elektronikát.

HZDR szakértelem a szilícium kvantumtechnológiában

Az HZDR Ionnyaláb Fizikai és Anyagtudományi Intézetének csapata hozzájárul majd szilícium atom módosításával kapcsolatos szakértelmével a kvantumalkalmazásokhoz, és továbbfejleszti azokat az anyagtudományi módszereket, amelyek a projekt alapját képezik. A csapat egy fókuszált ionnyaláb segítségével helyileg gazdagítja ultra-tiszta szilíciumot a Szilícium-28 izotópjával. A Szilícium-28 előnye, hogy atommagjai nem rendelkeznek spinnel, ellentétben sok más anyaggal, így nem kölcsönhatnak mágneses mezőkkel vagy más részecskék spinjével, és ezáltal nem zavarják a számításokat. „A speciális izotópokkal való célzott gazdagítás révén a kvantumállapot hosszabb ideig stabil marad. Ez lehetővé teszi összetettebb kvantumműveletek végrehajtását, és a platform hosszú távon felülmúlhatja a klasszikus számítógépeket és más kvantumszámítógépes rendszereket” – mondja Dr. Nico Klingner, az HZDR projektvezetője.

Az izotóp tisztítás mellett a csapat az egyedi ionimplantációval foglalkozik donor-atomokat. Ennek során bismut atomokat ültetnek be, amelyek spinje kétállapotú rendszert alkot, és bármikor „felfelé” vagy „lefelé” irányulhatnak. A Qubit-ek különlegessége, hogy nagyon alacsony hőmérsékleten mindkét állapot egyszerre létezhet szuperpozícióban: a spin egyszerre lehet „felfelé” és „lefelé” állapotban. Ez lehetővé teszi, hogy kvantumszámítógépek sok számítást végezzenek párhuzamosan, jelentősen növelve számítási teljesítményüket.

Az egyik fő előnye a donor-spin-Qubit-eknek a viszonylagos stabilitásuk más Qubit-típusokhoz képest, például a szupervezető áramkörökön alapuló Qubit-ekhez képest. A donor atom spinje kevésbé érzékeny a környezeti zavarokra, így a kvantumállapot hosszabb ideig fenntartható. Ez a stabilitás elengedhetetlen a kvantumszámítógépek skálázásához nagyobb számú Qubit-re, anélkül, hogy a kohézió vagy a számítások pontossága csorbulna. „Az HZDR hozzájárulása, különösen az izotóp tisztítás, implantáció és feszültségoptimalizálás területein, alapvető fontosságú az EQUSPACE projekt sikeréhez” – értékeli Prof. Juha Muhonen, a projekt koordinátora.

Az Európa pozíciójának megerősítése a globális kvantumversenyben

Az EQUSPACE-konszorciumhoz csatlakoznak a Jyväskyläi Egyetem, a Finn Technológiai Kutatóközpont (VTT), az HZDR, a Holland NWO AMOLF intézete, valamint a finn SemiQon Oy startup. Az együttműködés tükrözi Európa növekvő elkötelezettségét a globális kvantumversenyben. A növekvő nemzetközi verseny miatt az európai kvantumipar komoly kihívásokkal néz szembe, különösen az USA, Kína, Kanada és Ausztrália versenytársaival szemben.

„Az EQUSPACE megközelítése döntő fontosságú annak biztosításában, hogy Európa versenyképes maradjon a gyorsan fejlődő kvantumtechnológiák területén. Ezzel a támogatással az EQUSPACE erős kutatási hálózatot épít Európában, amely donor-spin-Qubit-ekre alapul – ez a fejlesztés hosszú távon megerősíti az európai kvantumipart” – magyarázza Muhonen. A finanszírozás az Horizont Európa program része. A projekt, amelyet a Jyväskyläi Egyetem vezet, 2025. február 1-jén kezdődik.

Az Európai Unió finanszírozásában. A kifejtett vélemények és álláspontok kizárólag a szerzők véleményét tükrözik, és nem feltétlenül az Európai Unió vagy az Európai Innovációs Tanács álláspontját. Sem az Európai Unió, sem a támogatási hatóság nem vállal felelősséget értük.

További információk:

Prof. Juha Muhonen
Jyväskyläi Egyetem
Telefon: +358401905352 | E-mail: juha.t.muhonen@jyu.fi

Dr. Nico Klingner
Ionnyaláb Fizikai és Anyagtudományi Intézet, HZDR
Telefon: +49 351 260 2524 | E-mail: n.klingner@hzdr.de