09. Dezember 2020 / Weitere

Silizium-Spin-Qubits für das Quantencomputing im großen Maßstab EU-Quantum-Flaggschiff-Programm

Ein weiterer grosser Erfolg für die Basler Quantenphysik: Dominik Zumbühl und Daniel Loss haben zusammen mit einem Konsortium von 10 Partnern aus 8 europäischen Ländern ein neues Quantum Flagship Projekt gewonnen. Das Projekt "QLSI" - Quantum Large Scale Integration in Silicon wird mit 15 Millionen Euro gefördert und hat eine Laufzeit von vier Jahren. Dies ist bereits das vierte Projekt im Rahmen des hochkompetitiven Flagship-Programms, an dem die Basler Physiker beteiligt sind. Dieses Flagship-Projekt ergänzt den NCCR SPIN, bei dem Basel das Leading House ist, ideal.

GRENOBLE, Frankreich - Ein europäisches Konsortium wurde heute mit dem Ziel gegründet, Silizium-Quanten-Technologien zu skalieren. Das auf vier Jahre angelegte EU-Projekt mit dem Namen QLSI (Quantum Large-Scale Integration with Silicon), das vom CEA koordiniert wird, soll den Grundstein für die industrielle Umsetzung von Halbleiter-Quantenprozessoren in der EU legen und Europa zu einem weltweit führenden Anbieter von Quantencomputern machen. Im Mittelpunkt des Projekts steht der Nachweis, dass Spin-Qubits die führende Plattform für die Skalierung auf eine sehr große Anzahl von Quantenbits oder Qubits, den Bausteinen der Quanteninformationsverarbeitung, sind.

Das QLSI-Konsortium besteht aus einem dynamischen Team mit komplementären Fähigkeiten, das erfahrene Wissenschaftler mit fundierten Kenntnissen über Silizium-Nanostrukturen und Spin-Qubits, RTOs mit Erfahrung in der Silizium-CMOS-Technologie, große internationale Unternehmen der Halbleiter- und Computerindustrie sowie Europas florierenden Quanten-Start-up-Sektor zusammenbringt. Jedes Mitglied bringt modernstes Fachwissen auf seinem Gebiet mit, das erforderlich ist, um die Herausforderungen beim Bau eines skalierbaren Quantencomputers zu meistern.

Die Partner haben bereits einige wichtige Fortschritte auf dem Gebiet der Halbleiter-Spin-Qubits erzielt, zum Beispiel die Demonstration eines "Ultrafast Hole Spin Qubit with Gate-Tunable Spin-Orbit Switch" in einem Ge/Si-Nanodraht-Quantenpunkt an der Zumbühl-Gruppe der Universität Basel. Das QLSI-Konsortium wird dies mit der Demonstration eines 16-Qubit-Chips in Silizium-CMOS-Technologie am Ende des Projekts auf die nächste Stufe bringen. Was macht Silizium so attraktiv? Dank ihrer Erfahrung haben die Partner bereits vielversprechende Einzel-Qubit-Leistungen quantifiziert: geringe Größe, hohe Wiedergabetreue, schnelles Auslesen und Manipulation. Bei der Arbeit mit Silizium besteht der nächste Schritt darin, die umfangreiche Infrastruktur der weltweiten Halbleiterindustrie zu nutzen.

Überlagerung und Verschränkung

Während klassische Computer Informationen in Form von Bits verwenden, die entweder ein- oder ausgeschaltet sind und durch "0" oder "1" dargestellt werden, nutzen Quantensysteme die Überlagerung und Verschränkung von Teilchen wie Elektronen, Photonen oder anderen Quanten. Bei der Überlagerung befinden sich diese Qubits gleichzeitig in den Zuständen 0 und 1. Bei der Verschränkung von Qubits, einem Hauptmerkmal der Quantenmechanik, führt eine Änderung in einem der Bits dazu, dass sich auch das andere ändert.

Die Nutzung dieser Eigenschaften wird es ermöglichen, Quanteneffekte zu nutzen, um große Fortschritte in der Informatik, Sensorik und Messtechnik, Simulationen, Kryptographie und Telekommunikation zu erzielen. Zu den Vorteilen, die die Gesellschaft aus dem Quantencomputing ziehen wird, gehören ultrapräzise Sensoren für die Medizin, quantenbasierte Kommunikation und hacksichere digitale Daten. Langfristig hat das Quantencomputing das Potenzial, Rechenprobleme zu lösen, für die heutige Supercomputer länger brauchen würden als das Alter des Universums. Diese Systeme werden auch in der Lage sein, Muster zu erkennen und Systeme der künstlichen Intelligenz zu trainieren.

Globaler Wettbewerb mit hohen Einsätzen

"Europa ist gut aufgestellt, um die Spin-Qubit-Forschung und -Entwicklung in der EU auf die nächste Stufe zu heben, und zwar in einem Wettbewerb, bei dem viel auf dem Spiel steht", sagte Maud Vinet, CEA-Letis Programmmanagerin für Quantenhardware, die das vierjährige, mit 15 Millionen Euro (17,7 Millionen Euro) dotierte Projekt leiten wird. "Das QLSI-Projekt ist der Auftakt zu einer engagierten Anstrengung aller führenden europäischen Gruppen auf dem Gebiet der Spin-Qubits, um komplette Prozessorsysteme zu entwickeln, die schließlich die erwarteten Tausenden von Qubits erreichen werden, um das Potenzial für universelles, fehlerkorrigiertes Quantencomputing aufzuzeigen."

Prof. Daniel Loss, Universität Basel: "Es gibt ein enormes Potenzial für Silizium-Spin-Qubits aufgrund ihrer geringen Größe, ihrer hohen Arbeitsgeschwindigkeit und ihrer Kompatibilität mit der etablierten Silizium-Großrechnertechnik, die es ermöglicht, auf eine große Anzahl von Qubits zu skalieren, wie sie für das Quantencomputing benötigt werden."

QLSI wird vier wesentliche Ergebnisse verfolgen:

• Herstellung und Betrieb von 16-Qubit-Quantenprozessoren auf der Grundlage industriekompatibler Halbleitertechnologie
• Demonstration von hochgradig zuverlässigen (>99 Prozent) Ein- und Zwei-Qubit-Gattern, Auslesen und Initialisierung mit diesen Geräten in einer Laborumgebung
• Demonstration eines Quantencomputer-Prototyps mit offenem Online-Zugang für die Allgemeinheit, der einen solchen hochwertigen Quantenprozessor in einer halbindustriellen Umgebung integriert (bis zu acht Qubits online verfügbar), und
• Dokumentation der Anforderungen, um die wichtige Frage der Skalierbarkeit für große Systeme mit mehr als 1.000 Qubits anzugehen.

Das Projekt ist eine neue Ergänzung des ehrgeizigen Quanten-Flaggschiff-Programms der EU, einer 10-jährigen Forschungs- und Entwicklungsinitiative mit einem Volumen von 1 Mrd. EUR (1,18 Mrd. USD), die 2018 gestartet wurde. Es handelt sich um eine kohärente Reihe von Forschungs- und Innovationsprojekten, die in einem gründlichen Peer-Review-Verfahren ausgewählt wurden. Übergeordnetes Ziel ist es, die wissenschaftliche Führung und Exzellenz Europas im Quantencomputing zu konsolidieren und auszubauen, eine wettbewerbsfähige europäische Industrie für Quantentechnologien zu schaffen und Europa zu einer dynamischen und attraktiven Region für innovative Forschung, Unternehmen und Investitionen in diesem Bereich zu machen. Ein ergänzendes Projekt zu diesem auf die Hardware ausgerichteten Projekt konzentriert sich auf die Softwareanforderungen für die Herstellung von Spin-Qubits.

19 Mitglieder des QLSI-Hardware-Konsortiums

• CEA - Entwicklung und Herstellung von Spin-Qubits
• CNRS - Entwicklung und Herstellung von Spin-Qubits
• Fraunhofer-Institute: IPMS & IAF - bedeutende technologische Entwicklungen mit dem Ziel von Spin-Qubits
• TU Delft - Demonstration von Spin-Qubits
• ATOS - bedeutende technologische Entwicklungen mit dem Ziel von Spin-Qubits
• IMEC - bedeutende technologische Entwicklungen mit dem Ziel von Spin-Qubits
• RWTH Aachen - Demonstration und Charakterisierung von Spinqubits
• Universität Kopenhagen - Demonstration und Charakterisierung von Spin-Qubits
• Infineon Dresden - Entwicklung und Herstellung von Spinqubits
• TNO (Niederländische Organisation für angewandte wissenschaftliche Forschung) - bedeutende technologische Entwicklungen mit dem Ziel von Spin-Qubits
• Universität Konstanz - physikalische Erfahrung und Ladungs- und Spineigenschaften von Si-Nanostrukturen
• Universität Basel - physikalische Erfahrung und Ladungs- und Spineigenschaften von Si-Nanostrukturen
• Universität Twente - physikalische Erfahrung und Ladungs- und Spineigenschaften von Si-Nanostrukturen
• UCL - physikalische Erfahrung und Ladungs- und Spineigenschaften von Si-Nanostrukturen
• Hitachi - physikalische Erfahrung und Ladungs- und Spineigenschaften von Si-Nanostrukturen
• IHP - bedeutende technologische Entwicklungen mit dem Ziel von Spin-Qubits
• Bull SAS - bedeutende technologische Entwicklungen im Hinblick auf Spin-Qubits
• Quantum Motion - bedeutende technologische Entwicklungen im Hinblick auf Spin-Qubits
• Soitec - bedeutende technologische Entwicklungen im Hinblick auf Spin-Qubits
• STMicrolectronics - Entwicklung einer Quantenvalidierungsplattform

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an

Prof. Daniel LossProf. Dominik Zumbühl

Daniel.loss@unibas.ch Dominik.Zumbuhl@unibas.ch

+41 (0)61 207 3749+41 (0)61 207 3693

https://spin.unibas.ch https://ZumbuhlLab.unibas.ch

https://quantum.unibas.ch

Departement für Physik, Universität Basel
Klingelbergstrasse 82, 4056 Basel Schweiz