Ingenieurs van de Australische Universiteit van New South Wales hebben een radicaal nieuwe architectuur uitgevonden voor kwantumcomputers. gebaseerd op nieuwe 'flip-flop qubits', dat belooft de grootschalige productie van kwantumchips dramatisch goedkoper - en gemakkelijker - te maken dan voor mogelijk werd gehouden.

Het nieuwe chipontwerp, gedetailleerd in het journaal Natuurcommunicatie , zorgt voor een silicium-kwantumprocessor die kan worden opgeschaald zonder de precieze plaatsing van atomen die in andere benaderingen vereist is. belangrijk, hierdoor kunnen kwantumbits (of 'qubits') - de basiseenheid van informatie in een kwantumcomputer - honderden nanometers uit elkaar worden geplaatst en toch gekoppeld blijven.

Het ontwerp is bedacht door een team onder leiding van Andrea Morello, Programmamanager in het op UNSW gebaseerde ARC Center of Excellence voor Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) in Sydney, die zei dat de fabricage van het nieuwe ontwerp gemakkelijk binnen het bereik van de technologie van vandaag zou moeten zijn.

Hoofdauteur Guilherme Tosi, een onderzoeker bij CQC2T, ontwikkelde het baanbrekende concept samen met Morello en co-auteurs Fahd Mohiyaddin, Vivien Schmitt en Stefanie Tenberg van CQC2T, met medewerkers Rajib Rahman en Gerhard Klimeck van Purdue University in de VS.

"Het is een briljant ontwerp, en zoals veel van dergelijke conceptuele sprongen, het is verbazingwekkend dat niemand er eerder aan had gedacht, ' zei Morello.

"Wat Guilherme en het team hebben uitgevonden, is een nieuwe manier om een ​​'spin-qubit' te definiëren die zowel het elektron als de kern van het atoom gebruikt. Cruciaal is dat deze nieuwe qubit kan worden bestuurd met behulp van elektrische signalen, in plaats van magnetische. Elektrische signalen zijn aanzienlijk gemakkelijker te distribueren en te lokaliseren binnen een elektronische chip."

Tosi zei dat het ontwerp een uitdaging omzeilt waar alle op spin gebaseerde siliciumqubits mee te maken zouden krijgen nu teams steeds grotere arrays van qubits beginnen te bouwen:de noodzaak om ze op een afstand van slechts 10-20 nanometer te plaatsen, of slechts 50 atomen uit elkaar.

"Als ze te dichtbij zijn, of te ver uit elkaar, de 'verstrengeling' tussen kwantumbits - wat kwantumcomputers zo speciaal maakt - komt niet voor, ' zei Tosi.

Onderzoekers van UNSW zijn al wereldleider in het maken van spin-qubits op deze schaal, zei Morello. "Maar als we een array van duizenden of miljoenen qubits zo dicht bij elkaar willen maken, het betekent dat alle controlelijnen, de besturingselektronica en de uitleesinrichtingen moeten ook op die nanometrische schaal worden gefabriceerd, en met die toonhoogte en die dichtheid van elektroden. Dit nieuwe concept suggereert een andere weg."

Aan de andere kant van het spectrum bevinden zich supergeleidende circuits - die bijvoorbeeld door IBM en Google worden nagestreefd - en ionenvallen. Deze systemen zijn groot en gemakkelijker te fabriceren, en lopen momenteel voorop in het aantal qubits dat kan worden gebruikt. Echter, door hun grotere afmetingen, op de lange termijn kunnen ze voor uitdagingen komen te staan ​​wanneer ze proberen miljoenen qubits te assembleren en te gebruiken, zoals vereist door de meest bruikbare kwantumalgoritmen.

"Onze nieuwe op silicium gebaseerde aanpak zit precies op de goede plek, " zei Morello, een professor in kwantumtechniek aan de UNSW. "Het is gemakkelijker te fabriceren dan apparaten op atomaire schaal, maar stelt ons nog steeds in staat om een ​​miljoen qubits op een vierkante millimeter te plaatsen."

In de single-atom qubit gebruikt door Morello's team, en waarop het nieuwe ontwerp van Tosi van toepassing is, een siliciumchip is bedekt met een laag isolerend siliciumoxide, waarop een patroon van metalen elektroden rust die werken bij temperaturen nabij het absolute nulpunt en in de aanwezigheid van een zeer sterk magnetisch veld.

In de kern bevindt zich een fosforatoom, waaruit Morello's team eerder twee functionele qubits heeft gebouwd met behulp van een elektron en de kern van het atoom. Deze qubits, individueel genomen, hebben wereldrecord coherentietijden aangetoond.

Tosi's conceptuele doorbraak is de creatie van een geheel nieuw type qubit, zowel de kern als het elektron gebruiken. Bij deze benadering een qubit '0'-toestand wordt gedefinieerd wanneer de spin van het elektron omlaag is en de kernspin omhoog is, terwijl de '1'-toestand is wanneer de elektronspin omhoog is, en de kernspin is naar beneden.

"We noemen het de 'flip-flop' qubit, "zei Tosi. "Om deze qubit te bedienen, je moet het elektron een beetje wegtrekken van de kern, met behulp van de elektroden aan de bovenkant. Door het zo te doen, je creëert ook een elektrische dipool."

"Dit is het cruciale punt, ", voegt Morello toe. "Deze elektrische dipolen werken met elkaar in wisselwerking over vrij grote afstanden, een goede fractie van een micron, of 1, 000 nanometer.

"Dit betekent dat we de qubits van één atoom nu veel verder uit elkaar kunnen plaatsen dan eerder voor mogelijk werd gehouden, " vervolgde hij. "Er is dus voldoende ruimte om de belangrijkste klassieke componenten zoals interconnects, stuurelektroden en uitleesapparatuur, met behoud van de precieze atoomachtige aard van het kwantumbit."

Morello noemde het concept van Tosi net zo belangrijk als het baanbrekende artikel van Bruce Kane uit 1998 in Natuur . Kane, vervolgens een senior onderzoeksmedewerker bij UNSW, stuitte op een nieuwe architectuur die een op silicium gebaseerde kwantumcomputer werkelijkheid zou kunnen maken - wat de race van Australië op gang bracht om een ​​kwantumcomputer te bouwen.

"Net als Kane's krant, dit is een theorie, een voorstel - de qubit moet nog worden gebouwd, " zei Morello. "We hebben enkele voorlopige experimentele gegevens die suggereren dat het volledig haalbaar is, dus we werken eraan om dit volledig te demonstreren. Maar ik denk dat dit net zo visionair is als het originele artikel van Kane."

Het bouwen van een kwantumcomputer wordt de 'ruimtewedloop van de 21e eeuw' genoemd - een moeilijke en ambitieuze uitdaging met het potentieel om revolutionaire hulpmiddelen te leveren voor het aanpakken van anders onmogelijke berekeningen, met tal van nuttige toepassingen in de zorg, verdediging, financiën, chemie en materiaalontwikkeling, software debuggen, ruimtevaart en vervoer. De snelheid en kracht ligt in het feit dat kwantumsystemen meerdere 'superposities' van verschillende begintoestanden kunnen bevatten, en in de spookachtige 'verstrengeling' die zich alleen op kwantumniveau voordoet de fundamentele deeltjes.

"Er zal veel techniek nodig zijn om kwantumcomputing naar de commerciële realiteit te brengen, en het werk dat we van dit buitengewone team zien, plaatst Australië aan het stuur, " zei Mark Hoffman, UNSW's decaan van engineering. "Het is een geweldig voorbeeld van hoe UNSW, zoals veel van 's werelds toonaangevende onderzoeksuniversiteiten, vormt vandaag de dag het hart van een geavanceerd wereldwijd kennissysteem dat onze toekomst vormgeeft."

Het UNSW-team heeft een deal van A $ 83 miljoen gesloten tussen UNSW, telecomgigant Telstra, Australische Commonwealth Bank en de Australische en New South Wales-regeringen om zich te ontwikkelen, tegen 2022, een 10-qubit prototype silicium kwantum geïntegreerde schakeling - de eerste stap in het bouwen van 's werelds eerste kwantumcomputer in silicium.

In augustus, de partners lanceerden Silicon Quantum Computing Pty Ltd, Australië's eerste kwantumcomputerbedrijf, om de ontwikkeling en commercialisering van de unieke technologieën van het team te bevorderen. De NSW-regering beloofde A $ 8,7 miljoen, UNSW A $ 25 miljoen, de Commonwealth Bank A $ 14 miljoen, Telstra A $ 10 miljoen en de federale regering A $ 25 miljoen.