En av de största utmaningarna inom kvantdatorer är att få ett stort antal kvantbitar – qubits – att kommunicera med varandra. I dagens kvantchip kan qubits oftast bara utbyta information med sina närmaste grannar, vilket gör det svårt att bygga riktigt stora och kraftfulla kvantdatorer.
Nu har forskare från University of Warwick och National Research Council Canada presenterat ett nytt koncept som kan förändra detta. I stället för att förlita sig på traditionella kopplingar föreslår de att ljudliknande vibrationer, så kallade fononer, används för att transportera kvantinformation över betydligt längre avstånd direkt på ett halvledarchip.
Fononer blir en kvantbuss
Den nya arkitekturen bygger på ett koncept som forskarna kallar Quantum Phononic Links (QPL).
I praktiken fungerar fononer – kvantiserade mekaniska vibrationer i ett material – som en gemensam kommunikationskanal mellan qubits. I stället för att varje kvantbit enbart kan kommunicera med sina närmaste grannar kan information skickas via vibrationerna till andra delar av chipet.
Forskarna beskriver lösningen som en slags ”kvantbuss” som kan transportera kvanttillstånd mellan fysiskt avlägsna qubits utan att man behöver bygga komplicerade nätverk av direkta kopplingar.
Kan lösa ett av kvantdatorernas största problem
Att skala upp kvantdatorer handlar inte bara om att öka antalet qubits.
När systemen växer blir det snabbt svårt att koppla samman alla kvantbitar på ett effektivt sätt. Begränsad kommunikation mellan olika delar av processorn leder till längre beräkningstider och mer komplex hårdvara.
Den föreslagna fononbaserade arkitekturen skulle kunna ge betydligt bättre långdistanskommunikation och därmed göra det enklare att utveckla kvantprocessorer med hundratusentals eller miljontals qubits – något som krävs för många framtida tillämpningar.
Bygger på etablerad halvledarteknik
En viktig fördel med den nya lösningen är att den är utformad för att fungera tillsammans med befintlig halvledarteknik.
Forskarna har inte föreslagit ett helt nytt sätt att bygga kvantdatorer, utan en kommunikationslösning som kan integreras med flera olika typer av qubits. Det innebär att tekniken i princip skulle kunna användas i framtida kvantchip utan att hela processorn behöver konstrueras från grunden.
Det kan göra övergången från forskning till praktiska produkter betydligt enklare än om helt nya material eller tillverkningsmetoder hade krävts.
Vibrationer kan färdas längre än dagens kopplingar
Fononer används redan inom flera forskningsområden för att beskriva hur mekaniska vibrationer rör sig genom fasta material.
I den nya arkitekturen utnyttjas dessa vibrationer för att bära kvantinformation över längre sträckor än vad många av dagens direkta qubitkopplingar klarar av. På så sätt kan olika delar av ett stort kvantchip kommunicera effektivare utan att behöva ett stort antal separata ledningar eller kopplingar.
Det kan också minska den ökande komplexiteten som uppstår när kvantdatorer blir större och mer avancerade.
Fortfarande på konceptstadiet
Även om resultaten är lovande handlar det än så länge om en teoretisk arkitektur.
Nästa steg blir att visa att Quantum Phononic Links fungerar i experimentella kvantchip och att de kan överföra kvanttillstånd med tillräckligt hög precision och låg felnivå. Först därefter kan tekniken börja användas i framtida kvantprocessorer.
Forskarna ser dock konceptet som ett viktigt steg mot skalbara kvantdatorer, där kommunikationen mellan stora mängder qubits inte längre utgör samma flaskhals som i dag.
Ett nytt sätt att bygga framtidens kvantdatorer
Jakten på praktiska kvantdatorer handlar inte enbart om fler qubits, utan också om hur dessa kan samarbeta på ett snabbt och tillförlitligt sätt. Den nya fononbaserade arkitekturen visar att mekaniska vibrationer kan bli en oväntad men kraftfull lösning på ett av kvantteknikens mest grundläggande problem.
Om konceptet kan demonstreras i verkliga kvantchip kan det bana väg för betydligt större och mer kraftfulla kvantdatorer än vad dagens arkitekturer klarar av. Därmed kan forskningen bli ett viktigt steg mot den typ av storskaliga kvantsystem som krävs för att lösa framtidens mest komplexa beräkningsproblem.
Publikationsuppgifter
M. Myronov m.fl., Kvantfononiska länkar för långdistanskoppling på chip av hålspinn-kubiter i kompressivt spänt germanium på kisel, APL Quantum (2026). DOI: 10.1063/5.0332643
