物理学家证明了量子芯片上的电子传输

    量子计算机需要数百万个量子位才能在实际应用中证明是有用的。但这还有很长的路要走。一个问题是量子比特在芯片上必须非常接近。研究人员现在已经朝着解决问题的方向迈出了重要的一步。他们成功地在量子芯片上将电子转移了几微米。 

    量子计算机需要数百万个量子位才能在实际应用中证明是有用的。可扩展性是未来设备开发中面临的最大挑战之一。一个问题是量子位必须在芯片上彼此非常接近，以便将它们耦合在一起。尤利希研究中心和亚琛工业大学的研究人员现在已经朝着解决这个问题迈出了重要的一步。他们成功地在量子芯片上将电子（量子信息的载体）转移了几微米。他们的“量子总线”可能是掌握数百万量子比特飞跃的关键组件。

    量子计算机有可能大大超过传统计算机在某些任务上的能力。但是，在他们能够帮助解决现实世界的问题之前，还有很长的路要走。许多应用需要具有数百万个量子比特的量子处理器。今天的原型只是提出了一些这样的计算单元。

“目前，每个单独的量子位都通过几条信号线连接到大约橱柜大小的控制单元。这仍然适用于几个量子位。但是，如果你想在芯片上放置数百万个量子位，那就不再有意义了。因为这是量子纠错所必需的，“尤利希研究中心JARA量子信息研究所的Lars Schreiber博士说。

在某些时候，信号线的数量成为瓶颈。与微小量子位的大小相比，这些线占用了太多的空间。一个量子芯片不可能有数以百万计的输入和输出——一个现代经典芯片只包含大约2000个这样的输入和输出。Schreiber与尤利希研究中心和亚琛工业大学的同事一起，多年来一直在进行研究，以找到解决这个问题的方法。

他们的总体目标是将控制电子设备的部件直接集成在芯片上。该方法基于由硅和锗制成的所谓半导体自旋量子比特。这种类型的量子位相对较小。制造工艺在很大程度上与传统硅处理器的制造工艺相匹配。当涉及到实现非常多的量子位时，这被认为是有利的。但首先，必须克服一些根本性的障碍。

“仅由颗粒的接近性引起的自然纠缠仅限于非常小的范围，约为100纳米。为了耦合量子比特，它们目前必须彼此非常接近。我们想要在那里安装额外的控制电子设备的空间根本没有，“Schreiber说。

为了区分量子比特，JARA量子信息研究所（IQI）提出了量子航天飞机的想法。这个特殊的组件应该有助于在更远的距离上在量子比特之间交换量子信息。研究人员已经在“量子总线”上工作了五年，已经申请了10多项专利。该研究最初是欧洲量子ERA联盟Si-QuBus的一部分，现在正在与工业合作伙伴一起在联邦教育和研究部（BMBF）的国家类星体项目中继续进行。

“大约10微米必须从一个量子位桥接到下一个量子位。根据理论，这种架构可以实现数百万个量子位。我们最近与尤利希研究中心中央工程、电子和分析研究所的电路工程师合作预测了这一点，“IQI研究所所长Hendrik Bluhm教授解释说。代尔夫特理工大学和英特尔的研究人员也得出了同样的结论。

拉尔斯·施莱伯和他的团队现在已经迈出了重要的一步。他们成功地在560纳米的距离上将电子运输了5000次，没有任何明显的误差。这相当于2.8毫米的距离。研究结果发表在科学期刊npj量子信息上。

“冲浪”电子

    一个重要的改进是：电子由四个简单的控制信号驱动，与以前的方法相比，这些信号在更长的距离上不会变得更加复杂。这很重要，因为否则将需要大量的控制电子设备，这将占用太多空间 - 或者根本无法集成到芯片上。

    这一成就是基于一种新的电子传输方式。

“到目前为止，人们一直试图将电子专门引导到他们路径上的单个扰动周围。或者他们创造了一系列所谓的量子点，让电子从其中一个点跳到另一个点。这两种方法都需要精确的信号调整，这导致控制电子设备过于复杂，“Lars Schreiber解释说。“相比之下，我们产生一个势波，电子只是在上面冲浪各种干扰源。对于这种均匀的波，几个控制信号就足够了;只需四个正弦脉冲即可。

    作为下一步，物理学家现在希望证明电子自旋中编码的量子比特信息在传输过程中不会丢失。理论计算已经表明，这在特定速度范围内在硅中是可能的。因此，量子总线为可扩展的量子计算机架构铺平了道路，该架构也可以作为数百万量子位的基础。