Квантовые компьютеры обладают потенциалом, значительно превосходящим возможности обычных компьютеров для решения определенных задач. Но предстоит еще пройти долгий путь, прежде чем они смогут помочь в решении реальных проблем. Для многих приложений требуются квантовые процессоры с миллионами квантовых битов. Сегодняшние прототипы содержат лишь несколько из этих вычислительных блоков.

"В настоящее время каждый отдельный кубит подключен через несколько сигнальных линий к блокам управления размером примерно со шкаф. Это все еще работает для нескольких кубитов. Но это больше не имеет смысла, если вы хотите поместить миллионы кубитов на чип. Потому что это необходимо для квантовой коррекции ошибок", - говорит доктор Ларс Шрайбер из Института квантовой информации JARA в Forschungszentrum Jülich и RWTH Aachen University.

В какой-то момент количество сигнальных линий становится узким местом. Линии занимают слишком много места по сравнению с размером крошечных кубитов. И квантовый чип не может иметь миллионы входов и выходов - современный классический чип содержит только около 2000 из них. Вместе с коллегами из Forschungszentrum Jülich и RWTH Aachen University Шрайбер в течение нескольких лет проводил исследования, чтобы найти решение этой проблемы.

Их общая цель - интегрировать части управляющей электроники непосредственно в чип. Подход основан на так называемых полупроводниковых спиновых кубитах, изготовленных из кремния и германия. Этот тип кубита сравнительно крошечный. Производственные процессы в значительной степени соответствуют процессам производства обычных кремниевых процессоров. Это считается выгодным, когда речь заходит о реализации очень большого количества кубитов. Но сначала необходимо преодолеть некоторые фундаментальные барьеры.

"Естественная запутанность, вызванная только близостью частиц, ограничена очень небольшим диапазоном, около 100 нанометров. Чтобы соединить кубиты, в настоящее время они должны быть расположены очень близко друг к другу. Там просто нет места для дополнительной управляющей электроники, которую мы хотели бы там установить", - говорит Шрайбер.

Чтобы отделить кубиты друг от друга, Институт квантовой информации JARA (IQI) выдвинул идею квантового шаттла. Этот специальный компонент должен помочь обмениваться квантовой информацией между кубитами на больших расстояниях. Исследователи работают над "квантовой шиной" уже пять лет и уже подали более 10 патентов. Исследование началось в рамках европейского консорциума QuantERA Si-QuBus и в настоящее время продолжается в рамках национального проекта QUASAR Федерального министерства образования и научных исследований (BMBF) совместно с промышленными партнерами.

"Около 10 микрометров должны быть соединены мостом от одного кубита к следующему. Согласно теории, с помощью такой архитектуры могут быть реализованы миллионы кубитов. Недавно мы предсказали это в сотрудничестве с инженерами-схемотехниками из Центрального института инженерии, электроники и аналитики в Forschungszentrum Jülich", - объясняет директор института IQI проф. Хендрик Блюм. Исследователи из TU Delft и Intel также пришли к такому же выводу.

Теперь Ларс Шрайбер и его команда сделали важный шаг. Им удалось 5000 раз перенести электрон на расстояние 560 нанометров без каких-либо существенных ошибок. Это соответствует расстоянию в 2,8 миллиметра. Результаты были опубликованы в научном журнале Квантовая информация npj.

"Серфинг" электронов

Одно существенное улучшение: электроны приводятся в движение с помощью четырех простых управляющих сигналов, которые - в отличие от предыдущих подходов - не усложняются на больших расстояниях. Это важно, потому что в противном случае потребовалась бы обширная управляющая электроника, которая занимала бы слишком много места - или вообще не могла бы быть интегрирована в чип.

Это достижение основано на новом способе транспортировки электронов. "До сих пор люди пытались направлять электроны специально вокруг отдельных возмущений на их пути. Или они создали серию так называемых квантовых точек и позволили электронам перепрыгивать с одной из этих точек на другую. Оба подхода требуют точной настройки сигнала, что приводит к слишком сложной управляющей электронике", - объясняет Ларс Шрайбер. "Напротив, мы генерируем потенциальную волну, на которой электроны просто перемещаются по различным источникам помех. Для такой равномерной волны достаточно нескольких управляющих сигналов; достаточно четырех синусоидальных импульсов."

В качестве следующего шага физики теперь хотят показать, что кубитная информация, закодированная в электронном спине, не теряется при транспортировке. Теоретические расчеты уже показали, что это возможно в кремнии в определенных диапазонах скоростей. Таким образом, квантовая шина прокладывает путь к масштабируемой архитектуре квантового компьютера, которая также может служить основой для нескольких миллионов кубитов.