量子計算機競賽正如火如荼地進行著。德國在基礎研究方面一直處於世界領先地位。之間的結盟Forschungszentrum j和半導體制造商Infinion,連同研究院Fraunhofer-Gesellschaft (IAF ipm)以及萊布尼茨協會(IHP IKZ),雷根斯堡和康斯坦茨大學的量子公司總部,現在的目標是將結果應用於工業生產。其目標是在德國製造一種基於電子“穿梭”的半導體量子處理器，並將利用德國現有的技術實現。類星體專案由聯邦教育和研究部(BMBF)提供了超過750萬歐元的資金，旨在為未來四年量子處理器的工業生產奠定基礎。

到目前為止，量子計算機在某些問題上有超過傳統超級計算機的潛力，例如在大城市控制交通流量或在原子水平上模擬材料。但目前還不清楚哪種方法會在量子計算機的競爭中勝出。超導量子位(量子計算機的最小單位)實驗是目前最先進的。例如，谷歌的量子晶片和歐洲量子旗艦專案(European quantum Flagship project)中的實驗性量子計算機就是基於它們的。該專案將於今年在Forschungszentrum Jülich投入使用。但是當涉及到大量的量子位時，半導體量子位可能會有優勢。

“在Jülich，我們正在研究兩種型別的量子位元，基於半導體的和基於超導體的。Forschungszentrum Jülich董事會主席Wolfgang Marquardt教授說:“例如，在量子軟體的開發、元件開發及其整合到實驗計算機架構中，有很強的協同效應。”“從長遠來看，我們希望在Jülich上實現一個可自由訪問的科學量子計算機。類星體專案是這個專案的重要一步——與我們的其他活動相結合，如歐洲量子旗艦專案或量子材料研究。”

矽電子自旋量子位元是一種很有前途的半導體量子位元系統，因為它們具有相對穩定的量子特性，而且比超導量子位元小得多。“一個很大的優勢是，它們的生產在很大程度上與矽處理器的生產相容。這意味著，原則上，在製造過程中已經有很多經驗，”專案協調人亨德里克·布魯姆教授說，他是JARA量子資訊研究所Forschungszentrum Jülich的主任。德國半導體制造商英飛凌(Infineon)在德累斯頓(Dresden)的專案就是一個例子:在該專案中，英飛凌利用其生產專業知識，將零部件設計用於工業製造。

“根本問題仍需澄清。到目前為止，量子晶片還不可能像傳統計算機晶片那樣容易地放大。其中一個問題是幾何約束。量子位通常必須非常接近才能相互耦合。因此，到目前為止，半導體量子位已經被證明主要是在不超過兩個相鄰的耦合量子位的元件中。然而，對於一個可擴充套件的架構，我們需要在量子晶片上有更多的空間，例如用於饋線和控制電子裝置。”

為了增加距離，來自Forschungszentrum Jülich和亞琛工業大學JARA合作機構的研究人員與其他研究夥伴一起開發了一種被稱為量子匯流排的東西。這種特殊的互連元件可以使單個量子位之間的距離達到10微米，從而有效地橋接。在矽量子位元中，量子資訊是由位於量子點(一種特殊的奈米半導體結構)中的電子自旋編碼的。量子匯流排可以捕獲這些量子點上的電子，並在不丟失量子資訊的情況下以可控方式傳輸它們。

從實驗室到生產

電子的交換也稱為“穿梭”。在實驗室中，實驗樣品已經顯示出令人鼓舞的結果。現在，Jülich研究人員希望使裝置的設計適應工業生產過程。為此，他們與英飛凌德累斯頓，專門從事量子力學材料模擬的初創HQS，Fraunhofer-Gesellschaft研究所（IAF，IPMS）以及萊布尼茨協會（IHP，IKZ）共同參與了QUASAR專案以及雷根斯堡和康斯坦茨的大學。

Hendrik Bluhm說：“這裡的挑戰之一是所需的材料質量，這種質量要比傳統計算機晶片的生產要高得多。” “另一個開放點是晶片上控制系統的小型化。但是，原則上，我們認為這種方法在複雜電路中具有巨大潛力。數百萬個量子位是現實的。”

QUASAR專案將持續到2025年1月。下一步是建造一個具有約25個耦合量子位元的演示器，該演示器將在後續專案中實施，並透過“Jülich使用者”整合到Jülich超級計算中心的模組化HPC環境中。具有云訪問功能的“量子計算基礎架構”（JUNIQ）。