4. februar 2021

Nyt EU kvante-flagskibskonsortium søsætter projekt med silicium spin-qubits som platform for storskala kvanteberegning

Nyt europæisk konsortium:

QLSI projektet bringer 19 europæiske topforskningsgrupper sammen i en fokuseret indsats indenfor udviklingen af skalerbare kvanteprocessorer i silicium. Initiativet markerer det seneste tilskud til EU's kvanteflagskib, et 7,5 milliarder kr. stort forskningsinitiativ, som lanceredes i 2018 og som løber over 10 år.

Fabrizio Berritta, Kandidatstuderende, og Lektor Ferdinand Kuemmeth ved Center for Quantum Devices, Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet
Fabrizio Berritta, Kandidatstuderende, og Lektor Ferdinand Kuemmeth ved Center for Quantum Devices, Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, med en ”state of the art” 300 mm silicium enhed, fremstillet på CEA-Leti i Grenoble. Enheden kan rumme millioner af specialdesignede transistorer. Forskerne har allerede påvist, at disse transistorer ændrer egenskaber til funktionelle kvanteenheder ved lave temperaturer, og deres næste skridt bliver at demonstrere multi-qubit operationer gennem forbedrede designs og processer.

København, 4. februar 2021. Et europæisk konsortium blev lanceret i dag med målet om at skalere silicium kvanteteknologier. Navnet er QLSI (Quantum Large-Scale Integration with Silicon) og dette firårige EU projekt, koordineret af den franske virksomhed CEA-Leti, kommer til at lægge fundamentet for EUs industriskala implementering af halvleder-kvanteprocessorer og iføre Europa den globale førertrøje indenfor kvantecomputere og kvanteberegning. Dette projekts fokus bliver at demonstrere, at spin-qubits er den førende platform for at skalere meget store antal kvantebits eller qubits, som er den grundlæggende byggeklods for kvante-informationsbehandling.

QLSI konsortiet udgøres af et meget dynamisk hold med et stort og varieret sæt af kompetencer. Det bringer forskere med stor viden indenfor silicium nanostrukturer og spin-qubits, RTOs (Research Technology Organization) med silicium-CMOS teknologi-ekspertise (CMOS: complementary metal-oxide-semiconductor) og store internationale selskaber indenfor halvleder- og computerindustrien sammen,  såvel som Europas vækstlag i kvante-startup sektoren. Hver deltager tilfører den størst mulige ekspertise på hver sit område til den udfordrende opgave med at bygge en skalerbar kvantecomputer.

Partnerne er allerede lykkedes med mange af de vigtigste fremskridt indenfor silicium kvanteteknologi, såsom Niels Bohr Institutets nylige demonstration af enkelt-elektron funktioner i små, to-dimensionale netværk af kvantedots. (Nature Communications 11, 6399 (2020) QLSI konsortiet bringer dette princip videre til det næste niveau med demonstrationen af en 16-qubit chip, og vil også gøre en 8-qubit chip tilgængelig for ekstern anvendelse gennem Quantum Inspire kvantemiljøet. Og hvad er det så, der gør silicium så attraktivt i denne forbindelse? De lovende erfaringer partnerne allerede har gjort, fortæller om single qubits ydeevne: Lille størrelse, høj kvalitet, hurtig læsbarhed og manipulation. I arbejdet med silicium er det næste skridt nu, at geare op til den store infrastruktur i den globale halvlederindustri.

Superposition og sammenfiltring (entanglement)

Når traditionelle computere anvender information i form af bits, som enten er slået fra eller til, repræsenteret af ’0’ eller ’1’, anvender kvantesystemer superposition og sammenfiltring (entanglement) af partikler, såsom elektroner og fotoner eller andre kvanteelementer. I tilstanden superposition er disse qubits ’0’ eller ’1’ på samme tid. Når qubits bliver ”entangled”, en særlig egenskab ved kvantemekanik, ændrer den ene qubit sig som en effekt af at den anden ændrer sig.

Udnyttelsen af disse egenskaber vil gøre det muligt at anvende kvanteeffekter til at gøre umådeligt store fremskridt indenfor beregning, måling og metrologi, simulationer, kryptografi og telekommunikation. De samfundsmæssige fordele ved kvanteberegning vil inkludere sensorer til brug for medicinsk forskning, kvantebaseret kommunikation og ubrydelige koder til digitale data. På den lange bane har kvanteberegning potentiale til at løse problemer, som det ville tage vores nuværende supercomputere længere end universets alder at klare. Disse systemer vil også være i stand til at genkende mønstre og træne systemer med kunstig intelligens.

Store indsatser og global konkurrence

”Europa er godt positioneret til at bringe EU's spin-qubit forskning til det næste niveau, i det vi kunne kalde en høj-indsats konkurrence mellem lande som har avanceret teknologi”, siger Maud Vinet, CEA-Letis kvante hardware programleder, som kommer til at stå i spidsen for det firårige, 112 millioner kroners projekt. ”QLSI projektet kører en dedikeret indsats i stilling, på tværs af alle førende europæiske grupper indenfor spin-qubits, med sigtet at udvikle komplette processorsystemer, som i sidste ende vil nå de tusindvis af qubits som forventes at være første trin i at vise potentialet i universel, fejlkorrigeret kvanteberegning.

QLSI vil søge at opnå fire essentielle resultater

  • Fabrikation af operationel 16-qubit processorer, baseret på industrikompatibel halvleder teknologi
  • Demonstration af høj pålidelighed (>99 procent) single og dobbelt-qubit gates, aflæsning og initialisering af disse enheder i laboratorium
  • Demonstration af en kvantecomputer-prototype, med online åben adgang for det videnskabelige samfund, samt integration af denne højkvalitets kvanteprocessor i et semi-industrielt miljø (op til 8 qubits til rådighed online)
  • Dokumentation af hvilke krav, der gør sig gældende for opskalering til store systemer >1000 qubits.

Projektet er en nylig tilføjelse til EU's ambitiøse Quantum Flagship program, et 10årigt, 7,5 milliarder stort forsknings initiativ, lanceret i 2018. Det er et samlet sæt af forsknings- og innovationsprojekter udvalgt gennem en grundig ”peer-review” proces. Det overordnede mål er at konsolidere og udvide en europæisk, videnskabelig førerposition og kompetencer indenfor kvantecomputere og beregning, for at kickstarte en konkurrencedygtig europæisk industri i kvanteteknologier, samt gøre Europa til en dynamisk og attraktiv region for innovativ forskning, industri og investeringer indenfor dette felt.

QLSI konsortiet består af 19 medlemmer, dedikeret til at levere quantum hardware løsninger:
  • CEA – development and fabrication of spin qubits

https://www.cea.frhttps://www.leti-cea.fr

  • TUD – demonstration of spin qubits

http://www.qutech.nl/

  • CNRS – demonstration of spin qubits

https://neel.cnrs.fr

  • IMEC – significant technological developments aiming at spin qubits

https://www.imec-int.com/en/quantum-computing

  • TNO – demonstration of spin qubits

https://www.tno.nl/en/focus-areas/industry/roadmaps/semiconductor-equipment/quantum-technology/

  • Fraunhofer institutes IPMS & IAF – significant technological developments aiming at spin qubits

https://www.iaf.fraunhofer.de/en and www.ipms.fraunhofer.de

http://www.ku.dk and http://www.qdev.dk

  • UCL – physics experience and charge-and-spin properties of Si nanostructures

https://www.ucl.ac.uk/quantum/

  • FORSCHUNGSZENTRUM JULICH / FZJ - demonstration of spin qubits
    http://www.fz-juelich.de
  • of Basel – physics experience and charge-and-spin properties of Si nanostructures

http://www.unibas.ch

  • of Twente – physics experience and charge-and-spin properties of Si nanostructures

www.utwente.nl/en  & www.utwente.nl/quantum 

  • Hitachi – physics experience and charge-and-spin properties of Si nanostructures

https://www.hitachi.eu/en-gb

  • of Konstanz – theoretical simulations and modelling of spin qubits and their properties

https://www.burkard.uni-konstanz.de

  • IHP (Leibniz-Institut) – development of Si-based quantum materials for spin qubits

https://www.ihp-microelectronics.com/en/start.html

  • ATOS – development of quantum validation platform

https://www.atos.net/qlm

https://www.st.com

https://www.infineon.com/cms/dresden/en

https://www.soitec.com/fr/

Center for Quantum Devices ved Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet forsker I hvordan man kan skabe, kontrollere, måle og beskytte kvantesammenhænge og “entanglement” I faststof elektronik. Eksperimentel forskning i spin qubits foretages af postdocs og studerende under vejledning af lektor Ferdinand Kuemmeth ved  Center for Quantum Devices. Yderligere information kan fås her: http://www.qdev.dk.

Teknologisk ekspertise

I dette projekt vil forskerne ved Center for Quantum Devices udføre cryogeniske eksperimenter på den samlede funktion af spin qubits i silicium-kvantedots og netværk af kvantedots. Ved anvendelse af en nanosekund gate-voltage puls i høj-båndbredde køleenheder vil forskerne initialisere, manipulere, og aflæse multiqubit tilstande for at udlede støj-virkning og pålidelighed i forskellige enheder og qubit operationer, for derigennem at give værdifuldt input til teoretiske fysikere, enheds-ingeniører og chipproducenter i konsortiet.