Kwantowe komputery w krzemie

W pojedynczym implanterze jonów TIBUSSII (System UHV z potrójnym wiązkiem jonów do pojedynczej implantacji jonów) można celowo wprowadzać pojedyncze obce atomy do materiału, na przykład w celu generowania kubitów. (Zdjęcie: B. Schröder / HZDR) / W pojedynczym implanterze jonów TIBUSSII (System UHV z potrójnym wiązkiem jonów do pojedynczej implantacji jonów), pojedyncze domieszki mogą być implantowane atom po atomie do materiału, na przykład w celu generowania kubitów. (Źródło: B. Schröder / HZDR)

Koalicja EQUSPACE (Umożliwianie nowych granic kwantowych z akustyką spinową w krzemie) otrzymała 3,2 miliona euro z programu wsparcia Pathfinder Open Europejskiej Rady Innowacji (European Innovation Council – EIC) na rozwój technologii kwantowych opartych na krzemie. Projekt łączy oprócz Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) czterech innych partnerów z trzech krajów UE i skupia ekspertów z dziedzin spin-qubitów, optomechaniki i atomowych modyfikacji krzemu, aby opracować nową platformę kwantową opartą na krzemie.

Chociaż krzem jest głównym materiałem dla klasycznych komputerów, nie odgrywa kluczowej roli w obecnie preferowanych koncepcjach komputerów kwantowych. Jednak bardzo sensowne byłoby wykorzystanie infrastruktury krzemowej, która już została rozwinięta w technologii półprzewodnikowej i kosztowała kilka miliardów euro, również do przetwarzania kubitów – jednostek informacji kwantowej. Naukowcy wykazali, że tak zwane spin-qubity donorowe są w rzeczywistości szczególnie do tego przystosowane. Te kubity wykorzystują właściwość obcych atomów, ich spin, do przetwarzania informacji. W porównaniu z innymi systemami kwantowymi charakteryzują się długimi czasami stabilności, podczas których mogą wykonywać operacje kwantowe. Obecnie nie są jednak głównym narzędziem komercyjnych komputerów kwantowych, ponieważ brakuje odpowiednich mechanizmów sprzężenia i odczytu, które można by wykorzystać do skalowania do praktycznego poziomu.

EQUSPACE ma na celu stworzenie w Europie długoterminowej przyszłości dla spin-qubitów donorowych opartych na krzemie. Platforma zamierza łączyć kwantowe jednostki informacji oparte na mikroskopijnych atomowych spinach za pomocą fal dźwiękowych w strukturach wibrujących. Ponadto będą wykorzystywane lasery i pojedyncze tranzystory elektronowe, aby na końcu kwantowego obliczenia odczytać wynik elektronicznie. Projekt ma zapewnić skalowalne rozwiązanie dla wszystkich kluczowych aspektów platformy kwantowej: sterowania i odczytu wyniku, sprzężenia spin-spin między kubitami oraz przesyłania informacji kwantowej między jednostkami obliczeniowymi na chipie. Ostatecznym rezultatem może być pełna platforma informacji kwantowej, obejmująca kubity, elementy połączeniowe oraz skalowalną elektronikę sterującą i odczytującą.

Ekspertyza HZDR w technologii kwantowej krzemu

Zespół Instytutu Fizyki Promieniowania Jonowego i Badań Materiałowych w HZDR wniesie swoją wiedzę w zakresie atomowych modyfikacji krzemu do zastosowań kwantowych i będzie rozwijać metody nauk o materiałach, które są podstawą projektu. Zespół będzie korzystał z ukierunkowanego promiennika jonowego, aby lokalnie wzbogacić ultra-czysty krzem izotopem krzemu-28. Krzem-28 ma tę zaletę, że jego jądra atomowe, w porównaniu do wielu innych materiałów, nie mają spinu, co oznacza, że nie będą oddziaływać z polem magnetycznym ani spinem innych cząstek, co mogłoby zakłócać obliczenia. „Dzięki celowemu wzbogaceniu specjalnymi izotopami stan kwantowy pozostaje stabilniejszy na dłuższy czas. To pozwala na wykonywanie bardziej złożonych operacji kwantowych, a platforma może w przyszłości przewyższyć klasyczne komputery oraz inne systemy kwantowe”, mówi kierownik projektu w HZDR, dr Nico Klingner.

Oprócz wzbogacania izotopowego zespół rozwija technikę implantacji pojedynczych jonów donorowych. Ma ona na celu wszczepienie pojedynczych atomów bizmutu, których spin tworzy dwustanowy system, mogący wskazywać albo „w górę”, albo „w dół”. Charakterystyczną cechą tych kubitów jest to, że przy bardzo niskich temperaturach oba stany mogą istnieć jednocześnie w superpozycji: spin może znajdować się jednocześnie w kombinacji stanów „w górę” i „w dół”. Dzięki temu komputery kwantowe mogą wykonywać wiele obliczeń równocześnie, co może drastycznie zwiększyć ich moc obliczeniową.

Jedną z głównych zalet spin-qubitów donorowych jest ich względna stabilność w porównaniu z innymi rodzajami kubitów, na przykład opartymi na nadprzewodzących obwodach. Spin w atomie donorowym jest mniej podatny na zakłócenia z otoczenia, co pozwala na dłuższe utrzymanie stanu kwantowego. Ta stabilność jest niezbędna do skalowania komputerów kwantowych na większą liczbę kubitów, bez utraty koherencji czy precyzji obliczeń. „Te wkłady HZDR, szczególnie w zakresie wzbogacania izotopowego, implantacji i optymalizacji napięciowej w półprzewodnikach, są kluczowe dla sukcesu projektu EQUSPACE”, ocenia profesor Juha Muhonen, koordynator projektu.

Wzmocnienie pozycji Europy w globalnej rywalizacji kwantowej

Koalicja EQUSPACE obejmuje naukowców z Uniwersytetu Jyväskylä, fińskiego Centrum Badań Technicznych VTT, HZDR, NWO-Institutu AMOLF w Holandii oraz fińskiego startupu SemiQon Oy. Współpraca odzwierciedla rosnące zaangażowanie Europy w globalną rywalizację kwantową. W obliczu narastającej konkurencji międzynarodowej europejski przemysł kwantowy stoi przed poważnymi wyzwaniami ze strony liderów, takich jak USA, Chiny, Kanada i Australia.

„Podejście EQUSPACE jest kluczowe, aby zapewnić, że Europa pozostanie konkurencyjna w szybko rozwijającej się dziedzinie technologii kwantowych. Dzięki temu wsparciu EQUSPACE buduje silną europejską sieć badawczą opartą na spin-qubitach donorowych – rozwój ten w dłuższej perspektywie wzmocni europejski przemysł kwantowy”, wyjaśnia Muhonen. Finansowanie pochodzi z programu Horizon Europe. Projekt, kierowany przez Uniwersytet Jyväskylä, rozpocznie się 1 lutego 2025 roku.

Finansowane przez Unię Europejską. Wyrażone poglądy i opinie są wyłącznie poglądami autorów i nie odzwierciedlają koniecznie stanowiska Unii Europejskiej ani Europejskiej Rady Innowacji. Ani Unia Europejska, ani organ przyznający fundusze nie ponoszą odpowiedzialności za nie.

Więcej informacji:

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

Dr Nico Klingner
Instytut Fizyki Promieniowania Jonowego i Badań Materiałowych w HZDR
Tel.: +49 351 260 2524 | E-mail: n.klingner@hzdr.de