Onderzoeksteams over de hele wereld onderzoeken verschillende manieren om een ​​werkende computerchip te ontwerpen die kwantuminteracties kan integreren. Nutsvoorzieningen, UNSW-ingenieurs denken dat ze het probleem hebben opgelost, het opnieuw uitvinden van de siliciummicroprocessors die we kennen om een ​​compleet ontwerp te creëren voor een kwantumcomputerchip die kan worden vervaardigd met behulp van voornamelijk standaard industriële processen en componenten.

Het nieuwe chipontwerp, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , beschrijft een nieuwe architectuur waarmee kwantumberekeningen kunnen worden uitgevoerd met behulp van bestaande halfgeleidercomponenten, bekend als CMOS (complementary metal-oxide-halfgeleider) - de basis voor alle moderne chips.

Het is bedacht door Andrew Dzurak, directeur van de Australian National Fabrication Facility aan de University of New South Wales (UNSW), en dr. Menno Veldhorst, hoofdauteur van de paper die research fellow was bij UNSW toen het conceptuele werk werd gedaan.

"We denken vaak dat de landing op de maan het grootste technologische wonder van de mensheid is, " zei Dzurak, die ook een programmaleider is bij het beroemde Centre of Excellence voor Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) in Australië. "Maar het creëren van een microprocessorchip met een miljard samenwerkende apparaten die samen zijn geïntegreerd om te werken als een symfonie - die je in je zak kunt dragen! - is een verbazingwekkende technische prestatie, en een die een revolutie teweeg heeft gebracht in het moderne leven.

"Met kwantumcomputers, we staan ​​aan de vooravond van een nieuwe technologische sprong die net zo diep en transformerend zou kunnen zijn. Maar een volledig technisch ontwerp om dit op een enkele chip te realiseren, was ongrijpbaar. Ik denk dat wat we bij UNSW hebben ontwikkeld dat nu mogelijk maakt. En het belangrijkste, het kan worden gemaakt in een moderne fabriek voor de productie van halfgeleiders, " hij voegde toe.

Veldhorst, nu teamleider kwantumtechnologie bij QuTech - een samenwerking tussen de TU Delft en TNO, de Nederlandse Organisatie voor Toegepast Wetenschappelijk Onderzoek - zei dat de kracht van het nieuwe ontwerp is dat, Voor de eerste keer, het schetst een denkbaar technisch pad naar het creëren van miljoenen kwantumbits, of qubits.

"Opmerkelijk als ze zijn, de huidige computerchips kunnen niet de kwantumeffecten benutten die nodig zijn om de echt belangrijke problemen van kwantumcomputers op te lossen. Om problemen op te lossen die grote mondiale uitdagingen aanpakken - zoals klimaatverandering of complexe ziekten zoals kanker - wordt algemeen aangenomen dat we miljoenen qubits nodig hebben die in tandem werken. Om dat te doen, we zullen qubits bij elkaar moeten pakken en integreren, zoals we doen met moderne microprocessorchips. Dat is wat dit nieuwe ontwerp wil bereiken.

"Ons ontwerp bevat conventionele siliciumtransistorschakelaars om bewerkingen tussen qubits in een enorme tweedimensionale array in te schakelen, met behulp van een op rasters gebaseerd 'woord' en 'bit' select-protocol vergelijkbaar met dat voor het selecteren van bits in een conventionele computergeheugenchip, " voegde hij eraan toe. "Door elektroden boven een qubit te selecteren, we kunnen de spin van een qubit regelen, die de kwantum binaire code van een 0 of 1 opslaat. En door elektroden tussen de qubits te selecteren, twee-qubit logische interacties, of berekeningen, kan worden uitgevoerd tussen qubits."

Een kwantumcomputer breidt de woordenschat van binaire code die in moderne computers wordt gebruikt exponentieel uit door twee spookachtige principes van de kwantumfysica te gebruiken - namelijk, 'verstrengeling' en 'superpositie'. Qubits kunnen een 0 opslaan, een 1, of een willekeurige combinatie van 0 en 1 tegelijkertijd. En net zoals een kwantumcomputer meerdere waarden tegelijk kan opslaan, zodat het ze tegelijkertijd kan verwerken, meerdere bewerkingen tegelijk uitvoeren.

Hierdoor zou een universele kwantumcomputer miljoenen keren sneller kunnen zijn dan welke conventionele computer dan ook bij het oplossen van een reeks belangrijke problemen.

Maar om complexe problemen op te lossen, een bruikbare universele kwantumcomputer heeft een groot aantal qubits nodig, mogelijk miljoenen, omdat alle soorten qubits die we kennen kwetsbaar zijn, en zelfs kleine fouten kunnen snel worden uitgebreid tot foute antwoorden.

"Dus we moeten foutcorrigerende codes gebruiken die meerdere qubits gebruiken om een ​​enkel stuk gegevens op te slaan, "zei Dzurak. "Onze chipblauwdruk bevat een nieuw type foutcorrigerende code die speciaal is ontworpen voor spin-qubits, en omvat een geavanceerd protocol van bewerkingen over de miljoenen qubits. Het is de eerste poging om in een enkele chip alle conventionele siliciumcircuits te integreren die nodig zijn om de miljoenen qubits die nodig zijn voor kwantumcomputers te controleren en te lezen."

"We verwachten dat er nog steeds aanpassingen aan dit ontwerp nodig zullen zijn naarmate we meer gaan produceren, maar alle belangrijke componenten die nodig zijn voor kwantumcomputing zijn hier in één chip. En dat is nodig als we van kwantumcomputers een werkpaard willen maken voor berekeningen die veel verder gaan dan de huidige computers. " Dzurak toegevoegd. "Het laat zien hoe de miljoenen qubits kunnen worden geïntegreerd die nodig zijn om de echte belofte van kwantumcomputing te realiseren."

Het bouwen van zo'n universele kwantumcomputer wordt wel de 'ruimtewedloop van de 21e eeuw' genoemd. Voor een reeks berekeningen ze zullen veel sneller zijn dan bestaande computers, en voor sommige uitdagende problemen konden ze binnen enkele dagen oplossingen vinden, misschien zelfs uren, toen de beste supercomputers van vandaag miljoenen jaren nodig zouden hebben.

Er worden wereldwijd minstens vijf belangrijke benaderingen voor kwantumcomputing onderzocht:silicium-spinqubits, ionenvallen, supergeleidende lussen, diamantvacatures en topologische qubits; Het ontwerp van UNSW is gebaseerd op silicium spin-qubits. Het grootste probleem met al deze benaderingen is dat er geen duidelijk pad is om het aantal kwantumbits op te schalen tot de miljoenen die nodig zijn zonder dat de computer een enorm systeem wordt dat omvangrijke ondersteunende apparatuur en dure infrastructuur vereist.

Dat is waarom het nieuwe ontwerp van UNSW zo opwindend is:vertrouwend op zijn silicium-spin-qubit-aanpak - die al veel van de solid-state apparaten in silicium nabootst die het hart vormen van de wereldwijde halfgeleiderindustrie van US $ 380 miljard - het laat zien hoe spin-qubit-fouten op elkaar kunnen worden afgestemd code corrigeren in bestaande chipontwerpen, waardoor echte universele kwantumberekening mogelijk wordt.

In tegenstelling tot bijna elke andere grote groep elders, CQC2T's quantum computing-inspanning is obsessief gericht op het maken van solid-state apparaten in silicium, waaruit alle computerchips ter wereld zijn gemaakt. En ze maken niet alleen sierlijke ontwerpen om te laten zien hoeveel qubits samen kunnen worden verpakt, maar gericht op het bouwen van qubits die ooit gemakkelijk kunnen worden gefabriceerd - en opgeschaald.

"Het is een beetje onder het tapijt geveegd, maar voor grootschalige quantum computing, we zullen miljoenen qubits nodig hebben, "zei Dzurak. "Hier, laten we zien hoe spin-qubits enorm kunnen worden opgeschaald. En dat is de sleutel."

Het ontwerp is een sprong voorwaarts in silicium spin-qubits; het was nog maar twee jaar geleden, in een paper in Nature, dat Dzurak en Veldhorst lieten zien, Voor de eerste keer, hoe kwantumlogica-berekeningen kunnen worden gedaan in een echt siliciumapparaat, met de creatie van een logische poort met twee qubits - de centrale bouwsteen van een kwantumcomputer.

"Dat waren de eerste babystapjes, de eerste demonstraties van hoe dit radicale kwantumcomputerconcept kan worden omgezet in een praktisch apparaat met behulp van componenten die ten grondslag liggen aan alle moderne computers, " zei Mark Hoffman, UNSW's decaan van engineering. "Ons team heeft nu een blauwdruk om dat drastisch op te schalen.

"We hebben elementen van dit ontwerp getest in het laboratorium, met zeer positieve resultaten. Daar moeten we gewoon op voortbouwen - wat nog steeds een hele uitdaging is, maar de basis is er, en het is heel bemoedigend. Er zal nog steeds veel techniek nodig zijn om kwantumcomputing naar de commerciële realiteit te brengen, maar het is duidelijk dat het werk dat we zien van dit buitengewone team bij CQC2T Australië aan het stuur zet, " hij voegde toe.

Andere CQC2T-onderzoekers die betrokken waren bij het ontwerp gepubliceerd in de Nature Communications-paper waren Henry Yang en Gertjan Eenink, de laatste is inmiddels in dienst bij Veldhorst bij QuTech.

Het UNSW-team heeft een deal van A $ 83 miljoen gesloten tussen UNSW, Telstra, Commonwealth Bank en de regeringen van Australië en New South Wales 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 Australische regering A $ 25 miljoen.