"Als dit project slaagt, zal het een revolutie in de informatica veroorzaken."

Dat is de voorspelling van Michael Manfra, Purdue University's Bill en Dee O'Brien leerstoel hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde, Hoogleraar Materiaalkunde en Hoogleraar Electrical and Computer Engineering, over een nieuwe, langdurige samenwerking tussen Purdue en Microsoft Corp. om een ​​robuuste en schaalbare kwantumcomputer te bouwen door te produceren wat wetenschappers een 'topologische qubit' noemen.

Purdue-president Mitch Daniels merkte op dat Purdue de thuisbasis was van de eerste computerwetenschapsafdeling in de Verenigde Staten, en zegt dat deze samenwerking en het werk van Manfra de universiteit in de voorhoede van quantum computing plaatsen.

"Op een dag zal kwantumcomputing van het laboratorium naar het daadwerkelijke dagelijkse gebruik gaan, en wanneer het gebeurt, het zal een teken zijn van een nieuwe explosie van rekenkracht zoals die veroorzaakt wordt door de siliciumchip, " zegt Daniels. "Het is opwindend om Purdue voor te stellen in het middelpunt van deze volgende sprong voorwaarts."

In de computers die we momenteel elke dag gebruiken, informatie is gecodeerd in een of/of binair systeem van bits, wat vaak wordt gezien als 1s en 0s. Deze computers zijn gebaseerd op siliciumtransistors, die, als een lichtschakelaar, kan alleen in een aan- of uit-stand staan.

Met kwantumcomputers, informatie is gecodeerd in qubits, die kwantumeenheden van informatie zijn. Met een qubit, echter, deze fysieke toestand is niet alleen 0 of 1, maar kan ook een lineaire combinatie zijn van 0 en 1. Vanwege een vreemd fenomeen van de kwantummechanica genaamd "superpositie, " een qubit kan zich tegelijkertijd in beide toestanden bevinden.

Deze eigenschap is essentieel voor het potentiële vermogen van kwantumberekeningen, het mogelijk maken van oplossingen voor problemen die hardnekkig zijn met behulp van klassieke architecturen.

Voorstanders van kwantumcomputing geloven dat deze nooit eerder vertoonde technologie een nieuwe wereldwijde 'kwantumeconomie' zal creëren.

Het door Microsoft samengestelde team zal werken aan een type kwantumcomputer die naar verwachting bijzonder robuust zal zijn tegen interferentie van zijn omgeving, een situatie die in kwantumcomputing bekend staat als 'decoherentie'. De "schaalbare topologische kwantumcomputer" is theoretisch stabieler en minder foutgevoelig.

"Een van de uitdagingen in kwantumcomputing is dat de qubits interageren met hun omgeving en hun kwantuminformatie verliezen voordat berekeningen kunnen worden voltooid, ", zegt Manfra. "Topologische kwantumcomputing maakt gebruik van qubits die informatie "niet-lokaal" opslaan en de externe ruisbronnen hebben minder effect op de qubit, dus we verwachten dat het robuuster zal zijn."

Manfra zegt dat de meest opwindende uitdaging bij het bouwen van een topologische kwantumcomputer is dat het Microsoft-team tegelijkertijd problemen van materiaalwetenschap moet oplossen, fysica van de gecondenseerde materie, elektrotechniek en computerarchitectuur.

"Dit is de reden waarom Microsoft zo'n diverse reeks getalenteerde mensen heeft verzameld om dit grootschalige probleem aan te pakken, ", zegt Manfra. "Geen enkele persoon of groep kan expert zijn in alle aspecten."

Purdue en Microsoft sloten in april 2016 een overeenkomst die hun samenwerking op het gebied van quantum computing-onderzoek uitbreidt, effectief tot oprichting van "Station Q Purdu, " een van de "Station Q" experimentele onderzoekssites die nauw samenwerken met twee "Station Q" theorie sites.

De nieuwe, meerjarige overeenkomst verlengt die samenwerking, en omvat Microsoft-medewerkers die zijn ingebed in het onderzoeksteam van Manfra bij Purdue.

Manfra's groep op Station Q Purdue gaat samenwerken met Redmond, Microsoft-teamleden uit Washington, evenals een wereldwijde experimentele groep opgericht door Microsoft, waaronder experimentele groepen aan het Niels Bohr Instituut aan de Universiteit van Kopenhagen in Denemarken, TU Delft in Nederland, en de Universiteit van Sydney, Australië. Ze zijn ook gekoppeld aan de theoretici van Microsoft Station Q in Santa Barbara. Alle groepen werken samen om de grootste uitdagingen van quantum computing op te lossen.

"Wat spannend is, is dat we wetenschap en techniek hand in hand doen, tegelijkertijd, ", zegt Manfra. "We hebben het geluk om deel uit te maken van dit werkelijk geweldige wereldwijde team."

Michael Freedman, winnaar van een wiskundige en Fields-medaille, leidt Microsoft's Station Q in Santa Barbara, waar hij werkt aan kwantumcomputers.

"Er is een andere computerplaneet daarbuiten, en wij, collectief, gaan erop landen. Het is echt zoals vroeger van fysieke verkenning en veel interessanter dan jezelf opsluiten in een fles en door de ruimte reizen. We zullen een verbazingwekkende onzichtbare wereld vinden zodra we programmeerbare kwantumcomputers voor algemeen gebruik hebben. " zegt Freedman. "Michael Manfra en Purdue University zullen een belangrijke medewerker zijn op deze reis. Ik ben niet geïnteresseerd in het factoriseren van getallen, maar het oplossen van scheikunde- en materiaalwetenschappelijke problemen, en meest ambitieuze machine-intelligentie. nieuwsgierig, we hebben geweldige materiaalwetenschap en transportfysica nodig - het werk van Mike Manfra - om de systemen te bouwen die we zullen gebruiken om kwantumcomputers te doen en, dus, om het volgende tijdperk van materiaalwetenschap in te luiden."

De rol van Purdue in het project is het kweken en bestuderen van ultrazuivere halfgeleiders en hybride systemen van halfgeleiders en supergeleiders die het fysieke platform kunnen vormen waarop een kwantumcomputer wordt gebouwd. Manfra's groep heeft expertise in een techniek genaamd moleculaire bundelepitaxie, en deze techniek zal worden gebruikt om laagdimensionale elektronensystemen te bouwen die de basis vormen voor kwantumbits, of qubits.

Het werk bij Purdue vindt plaats in het Birck Nanotechnology Centre in het Discovery Park van de universiteit, evenals in het departement Natuur- en Sterrenkunde. De Birck-faciliteit herbergt het multi-kamer moleculaire bundel epitaxiesysteem, waarin drie fabricagekamers onder ultrahoog vacuüm zijn verbonden. Het bevat ook de fabricage van cleanrooms en de benodigde hulpmiddelen voor het karakteriseren van materialen. Laboratoria voor meting bij lage temperatuur van de elektronische eigenschappen van materialen zullen worden uitgevoerd in het departement Natuur- en Sterrenkunde.

Suresh Garimella, uitvoerend vice-president voor onderzoek en partnerschappen, en Purdue's Goodson Distinguished Professor in Mechanical Engineering, zegt dat de tools en laboratoria in Discovery Park ervoor hebben gezorgd dat Purdue op verschillende gebieden een wereldleider is geworden.

"Door deze toonaangevende faciliteiten te combineren met onze ongelooflijk getalenteerde en deskundige faculteit, zoals professor Manfra, heeft Purdue in de voorhoede van onderzoek en ontwikkeling van nanotechnologie geplaatst, nano-elektronica, op silicium gebaseerde elektronica van de volgende generatie, en kwantumcomputers. Purdue laten bijdragen aan de bouw van 's werelds eerste kwantumcomputer is voor ons een droom die uitkomt, " hij zegt.