Wofür ist ein Si-QuBus gut?

Quantencomputer versprechen mit Schlüsselkonzepten der Quantenmechanik wie Überlagerung und Verschränkung Probleme zu lösen, die für alle klassischen Computer unlösbar sind. Um einen realistischen Quantencomputer zu betreiben, muss die Quanteninformation in mehrere der kleinsten physikalischen Quanteninformationselemente, die Qubits, kodiert werden. Ein realistischer Quantencomputer benötigt also Millionen von Qubits und muss eine skalierbare Architektur haben. Der Spin eines einzelnen Elektrons kann ein Qubit kodieren. Wir haben gelernt, wie man ein einzelnes Elektron im Silizium fängt, wie man seinen Spin präzise manipuliert, es in eine Überlagerung setzt und mit einem anderen Qubit verschränkt. Bisher wurden diese Funktionalitäten in Geräten demonstriert, die nicht mehr als nur zwei Qubits bereitstellen.

Klassische Computerchips bestehen aus Silizium, das auf der gleichen Technologie wie die Elektronenfallen basiert und sich als hoch skalierbar für eine große Industrie erwiesen hat. Dennoch können wir einen Quantenchip nicht so einfach skalieren, da die Qubits und damit die Elektronen sehr nahe beieinander liegen müssen, um interagieren zu können. Für eine skalierbare Architektur benötigen wir Platz auf dem Quantenchip für die erforderlichen elektrischen Verbindungen oder für die Einbettung von Quantenchipelementen mit klassischer Siliziumelektronik.

Unsere Idee ist ein neues Funktionselement, der Quantenbus (QuBus), der ein einzelnes Elektron und damit die Quanteninformation über eine Entfernung von etwa 10 Mikron bewegt. Der QuBus erzeugt den Raum, den wir für den Entwurf einer skalierbaren Quantencomputerarchitektur benötigen. Es ist kompatibel mit der industriellen Fertigung und wir profitieren von Industriepartnern wie LETI, STMicroelectronics und Intel innerhalb des Konsortiums. Am Ende des Projekts zielen wir auf die Demonstration der Quantenteleportation über einen QuBus und untersuchen die Verzweigung eines QuBus, um den Aufbau zweidimensionaler fehlertoleranter Netzwerke von interagierenden Qubits auf einem Chip zu ermöglichen.

Schematische Darstellung eines QuBus. Ein Quantenpunkt wird in einem Si-Quantenschacht durch mehrschichtige metallische Oberflächengatter gebildet. Durch das Pulsieren der Spannungen zu diesen Gates wird der Quantenpunkt, der ein einzelnes Elektron trägt, über einen elektrostatisch gebildeten eindimensionalen Kanal geleitet. Single Electron Transistoren (SET) können ein einzelnes Elektron und seinen Spin-Zustand an den Enden des QuBus erkennen.

Further reading on this topic:
Long-range quantum bus for electron spin qubits in silicon
Interfacing spin qubits in quantum dots and donors—hot, dense, and coherent