Een team van de Universiteit van Sydney en Microsoft, in samenwerking met Stanford University in de VS, heeft een onderdeel geminiaturiseerd dat essentieel is voor de opschaling van quantum computing. Het werk vormt de eerste praktische toepassing van een nieuwe fase van materie, voor het eerst ontdekt in 2006, de zogenaamde topologische isolatoren.

Voorbij de bekende fasen van materie - vast, vloeistof, of gastopologische isolatoren zijn materialen die in het grootste deel van hun structuren als isolatoren werken, maar oppervlakken hebben die als geleiders fungeren. Manipulatie van deze materialen biedt een pad om de schakelingen te construeren die nodig zijn voor de interactie tussen kwantum- en klassieke systemen, essentieel voor het bouwen van een praktische kwantumcomputer.

Theoretisch werk dat ten grondslag ligt aan de ontdekking van deze nieuwe fase van materie, werd in 2016 bekroond met de Nobelprijs voor de natuurkunde.

De component van het Sydney-team, bedacht een microgolfcirculator, werkt als een verkeersrotonde, ervoor te zorgen dat elektrische signalen zich slechts in één richting voortplanten, met de klok mee of tegen de klok in, zoals gevraagd. Soortgelijke apparaten zijn te vinden in basisstations voor mobiele telefoons en radarsystemen, en zal in grote hoeveelheden nodig zijn bij de bouw van kwantumcomputers. Een grote beperking, tot nu, is dat typische circulatiepompen omvangrijke voorwerpen zijn ter grootte van uw hand.

Deze uitvinding, gerapporteerd door het Sydney-team vandaag in het tijdschrift Natuurcommunicatie , vertegenwoordigt de miniaturisatie van het gewone circulatieapparaat met een factor 1000. Dit is gedaan door gebruik te maken van de eigenschappen van topologische isolatoren om de lichtsnelheid in het materiaal te vertragen. Deze miniaturisering maakt de weg vrij om veel circulatiepompen op een chip te integreren en in de grote hoeveelheden te produceren die nodig zijn om kwantumcomputers te bouwen.

De leider van het Sydney-team, Professor David Reilly, legde uit dat het werk om kwantumcomputing op te schalen leidt tot doorbraken op verwante gebieden van elektronica en nanowetenschap.

"Het gaat niet alleen om qubits, de fundamentele bouwstenen voor kwantummachines. Voor het bouwen van een grootschalige kwantumcomputer is ook een revolutie nodig in klassieke informatica en apparaattechniek, ' zei professor Reilly.

"Zelfs als we vandaag miljoenen qubits zouden hebben, het is niet duidelijk of we de klassieke technologie hebben om ze te beheersen. Het realiseren van een opgeschaalde kwantumcomputer vereist de uitvinding van nieuwe apparaten en technieken op de kwantumklassieke interface."

Hoofdauteur van de paper en PhD-kandidaat Alice Mahoney zei:"Dergelijke compacte circulatiepompen kunnen worden geïmplementeerd in een verscheidenheid aan kwantumhardwareplatforms, ongeacht het specifieke gebruikte kwantumsysteem."

Een praktische kwantumcomputer is nog enkele jaren verwijderd. Wetenschappers verwachten in staat te zijn om momenteel onoplosbare berekeningen uit te voeren met kwantumcomputers die toepassingen zullen hebben op gebieden zoals chemie en medicijnontwerp, klimaat en economische modellering, en cryptografie.