La carrera de la computadora cuántica está en pleno apogeo. Alemania ha sido durante mucho tiempo uno de los líderes mundiales en investigación básica. Una alianza entre Forschungszentrum Jülich y el fabricante de semiconductores Infinion, junto con los institutos de Fraunhofer-Gesellschaft (IAF, IPMS) así como la Asociación Leibniz (IHP, IKZ), las universidades de Ratisbona y Konstanz y la startup cuántica HQS, ahora pretende aplicar los resultados a la producción industrial. El objetivo es un procesador cuántico de semiconductores fabricado en Alemania que se basa en el "transporte" de electrones y que se logrará con la tecnología disponible en Alemania. El proyecto QUASAR, que está financiado con más de 7,5 millones de euros por el Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF), tiene como objetivo sentar las bases para la producción industrial de procesadores cuánticos durante los próximos cuatro años.

Las computadoras cuánticas tienen el potencial de superar con creces a las supercomputadoras convencionales en ciertos problemas, por ejemplo cuando se trata de controlar los flujos de tráfico en áreas metropolitanas o simular materiales a nivel atómico. Pero aún no está claro qué enfoque ganará la carrera entre las computadoras cuánticas. Experimentos con qubits superconductores, las unidades más pequeñas de una computadora cuántica, son actualmente los más avanzados. Por ejemplo, Los chips cuánticos de Google y la computadora cuántica experimental en el proyecto europeo Quantum Flagship, que entrará en funcionamiento este año en Forschungszentrum Jülich, se basan en ellos. Pero cuando se trata de un gran número de qubits, los qubits de semiconductores pueden tener la ventaja.

"En Jülich, estamos investigando ambos tipos de qubits, basado en semiconductores y basado en superconductores. Hay fuertes efectos de sinergia, por ejemplo, en el desarrollo de software cuántico, desarrollo de componentes y su integración en arquitecturas informáticas experimentales, "dice el profesor Wolfgang Marquardt, Presidente del Consejo de Administración de Forschungszentrum Jülich. "A largo plazo, queremos realizar una computadora cuántica para la ciencia de libre acceso en Jülich. El proyecto QUASAR es un paso importante para este proyecto, en combinación con nuestras otras actividades, como el buque insignia cuántica europea o la investigación de materiales cuánticos ".

Los qubits de espín de electrones de silicio son un sistema prometedor para los qubits de semiconductores porque tienen propiedades cuánticas comparativamente robustas y son mucho más pequeños en tamaño que los bits cuánticos superconductores. "Una gran ventaja es que su producción es en gran medida compatible con la producción de procesadores de silicio. Esto significa que, en principio, ya hay mucha experiencia con los procesos de fabricación, "dice el profesor Hendrik Bluhm, coordinador del proyecto, Director del Instituto JARA de Información Cuántica en Forschungszentrum Jülich. Un ejemplo es Infineon en Dresde:en el proyecto, el fabricante alemán de semiconductores ayuda con su experiencia en producción adaptando el diseño de componentes para la fabricación industrial.

"Las preguntas fundamentales aún deben aclararse. Hasta ahora, No ha sido posible escalar chips cuánticos tan fácilmente como los chips de computadora convencionales. Un problema han sido las restricciones geométricas. Los qubits suelen tener que estar muy juntos para que puedan acoplarse entre sí. Por lo tanto, Los qubits de semiconductores se han demostrado hasta ahora principalmente en componentes que no tienen más de dos qubits acoplados uno cerca del otro. Para una arquitectura escalable, sin embargo, necesitamos más espacio en el chip cuántico, por ejemplo para líneas de alimentación y electrónica de control, "dice Hendrik Bluhm.

Para aumentar las distancias, los investigadores de la cooperación JARA de Forschungszentrum Jülich y RWTH Aachen University, junto con otros socios de investigación, han desarrollado algo llamado bus cuántico. Este elemento de interconexión especial permite salvar de manera eficiente distancias de hasta 10 micrómetros entre los qubits individuales. En qubits de silicio, la información cuántica está codificada por el espín de electrones ubicados en puntos cuánticos, estructuras semiconductoras nanoscópicas especiales. El bus cuántico puede capturar los electrones en estos puntos cuánticos y transportarlos de forma controlada sin perder la información cuántica.

Del laboratorio a la producción

El intercambio de electrones también se conoce como "transporte". En el laboratorio, las muestras experimentales ya están mostrando resultados prometedores. Ahora, los investigadores de Jülich quieren adaptar el diseño del dispositivo a los procesos de fabricación industrial. Para tal fin, han unido fuerzas en el proyecto QUASAR con Infineon Dresden, la start-up HQS especializada en simulaciones de materiales de mecánica cuántica, institutos de Fraunhofer-Gesellschaft (IAF, IPMS) así como la Asociación Leibniz (IHP, IKZ) y las universidades de Ratisbona y Constanza.

"Uno de los desafíos aquí es el grado requerido de calidad del material, que es mucho mayor para esta aplicación que para la producción de chips de computadora convencionales, ", dice Hendrik Bluhm." Otro punto abierto es la miniaturización de los sistemas de control en el chip. En principio, sin embargo, Vemos un gran potencial en este enfoque para circuitos complejos. Millones de qubits son realistas ".

El proyecto QUASAR se extenderá hasta enero de 2025. El siguiente paso es construir un demostrador con alrededor de 25 qubits acoplados, que se implementará en un proyecto de seguimiento y se integrará en el entorno HPC modular del Centro de Supercomputación de Jülich a través de la "Infraestructura de Usuario de Jülich para Computación Cuántica" (JUNIQ) con acceso a la nube.