La carrera por la computadora cuántica probablemente se decidirá en el bit cuántico (qubit), la unidad de información más pequeña de la computadora cuántica. El acoplamiento de varios qubits en un sistema informático es actualmente uno de los mayores desafíos en el desarrollo de las computadoras cuánticas. Una pregunta clave es qué sistema físico y qué material son los más adecuados para los qubits. El desarrollo de qubits basados ​​en superconductores ha avanzado mucho, pero hay cada vez más indicios de que la tecnología de semiconductores de silicio puede ser una alternativa prometedora con ventajas decisivas en la producción de chips.

El bit clásico es la unidad de almacenamiento de datos más pequeña de nuestras computadoras actuales. Puede tomar exactamente dos valores:uno y cero, o en otras palabras:una corriente fluye ("uno") o no fluye ("cero"). El bit cuántico por otra parte, no se limita a estos dos estados:puede asumir un estado intermedio de uno y cero al mismo tiempo, conocido como "superposición". Sólo en el momento de la medición se lleva este estado intermedio a un valor fijo. En otras palabras:mientras que los bits normales tienen un valor definido en un momento dado, los qubits adquieren un valor definido solo en el momento de medición respectivo. Esta propiedad es la base de la enorme potencia informática que las computadoras cuánticas pueden aprovechar para algunos problemas.

Esto hace que el almacenamiento de dicha información cuántica sea mucho más complicado:un simple "encendido / apagado de corriente" no es suficiente. En lugar de, los procesos más rápidos y más pequeños en el espacio y el tiempo sirven como base:los estados cuánticos de electrones o fotones pueden usarse para implementar un qubit. En el caso de los bits cuánticos de silicio, el momento angular intrínseco de un solo electrón, el espín del electrón, se utiliza para el almacenamiento de información. Aquí, la dirección de rotación del electrón en combinación con su estado cuántico codifica la información cuántica. Este es, comprensiblemente, muy frágil, ya que incluso las perturbaciones más sutiles a nivel atómico pueden afectar el momento angular de un electrón y destruir la información cuántica.

El desafío de hoy:acoplar bits cuánticos

Una tarea aún más difícil es interconectar bits cuánticos porque un solo bit cuántico no es suficiente para realizar una operación aritmética. Al igual que las computadoras estándar, Las computadoras cuánticas requieren que varios bits (cuánticos) estén vinculados para formar un sistema informático:en consecuencia, los qubits individuales deben poder interactuar entre sí. Si los qubits que se van a acoplar están muy separados en el chip, un qubit primero debe acercarse al otro con una especie de "bus cuántico" para permitir una operación de computación.

En el caso del qubit basado en espines, esto significa que el momento angular de un electrón debe ser transportado o transferido a otro electrón con precisión y con un mínimo de perturbación, y no solo una vez, pero potencialmente miles o incluso millones de veces. Un desafío para la ciencia:la interconexión de los qubits es probablemente el mayor obstáculo en el desarrollo de las computadoras cuánticas en la actualidad. "Hace una diferencia si configura un solo bit cuántico o si une decenas, cientos o miles de ellos. Pueden ocurrir interacciones entre los qubits que son difíciles de controlar, "describe el profesor Guido Burkard, profesor de física teórica de la materia condensada e información cuántica en la Universidad de Konstanz.

En la actualidad, los prototipos de computadoras cuánticas más avanzados logran un acoplamiento de entre 20 y 50 qubits. "Este ya es un gran éxito. Sin embargo, todavía queda un largo camino por recorrer antes de llegar a una aplicación real. Se necesitan miles o millones de qubits para realizar operaciones aritméticas significativas, "dice Guido Burkard.

El potencial del silicio

Los sistemas informáticos cuánticos más avanzados hasta la fecha se basan en superconductores. Los sistemas basados ​​en superconductores son extremadamente potentes, pero tienen que lidiar con limitaciones:no funcionan a temperatura ambiente, pero a temperaturas justo por encima del cero absoluto (alrededor de -273 C). Además, los superconductores consumen relativamente mucha energía y son comparativamente grandes desde el punto de vista de la miniaturización técnica, de modo que solo una pequeña cantidad de qubits basados ​​en superconductores caben en un chip.

Junto con el mayor desarrollo de los qubits superconductores, también se están investigando sistemas alternativos. El silicio es uno de los materiales más prometedores:"Creemos que los qubits de semiconductores basados ​​en silicio ofrecen grandes perspectivas, "explica Guido Burkard. Los bits cuánticos basados ​​en silicio tienen la ventaja de que, teniendo solo unos pocos nanómetros de tamaño, son decididamente más pequeños que los sistemas superconductores. Como consecuencia, muchos más de ellos se pueden poner en un chip de computadora, potencialmente millones. "Es más, La industria ya tiene décadas de experiencia con la tecnología de semiconductores de silicio. El desarrollo y la producción de qubits basados ​​en silicio se benefician enormemente de esto, lo cual no es una pequeña ventaja, "Guido Burkard explica.

Ya en 2017, El equipo de investigación de Guido Burkard, en colaboración con la Universidad de Princeton y la Universidad de Maryland, logró crear una "puerta cuántica" estable para los qubits de silicio, es decir. un sistema de conmutación para sistemas inicialmente de dos qubits que era capaz de realizar todas las operaciones básicas de la computadora cuántica. Un hito sobre el que los físicos están construyendo ahora:"Nuestra tarea ahora es escalar e interconectar la mayor cantidad posible de qubits de silicio con un mínimo de diafonía, ", Dice Burkard. Para lograr este objetivo, ahora ha unido fuerzas con equipos de investigación líderes en el campo del desarrollo de qubit en el marco de tres grandes redes de investigación a nivel de Europa, Alemania y Baden-Württemberg.