Quantumcomputers die complexe problemen kunnen oplossen, zoals medicijnontwerp of machine learning, zal miljoenen kwantumbits - of qubits - nodig hebben die op een geïntegreerde manier zijn verbonden en zijn ontworpen om fouten te corrigeren die onvermijdelijk optreden in fragiele kwantumsystemen.

Nutsvoorzieningen, een Australisch onderzoeksteam heeft experimenteel een cruciale combinatie van deze mogelijkheden gerealiseerd op een siliciumchip, de droom van een universele kwantumcomputer dichter bij de realiteit brengen.

Ze hebben een geïntegreerd siliciumqubit-platform gedemonstreerd dat zowel single-spin adresseerbaarheid combineert - de mogelijkheid om informatie te 'schrijven' op een enkele spin-qubit zonder de buren te storen - en een qubit 'uitlezing'-proces dat van vitaal belang zal zijn voor kwantumfoutcorrectie .

Bovendien, hun nieuwe geïntegreerde ontwerp kan worden vervaardigd met behulp van gevestigde technologie die wordt gebruikt in de bestaande computerindustrie.

Het team wordt geleid door Scientia Professor Andrew Dzurak van de Universiteit van New South Wales in Sydney, een programmaleider bij het Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) en directeur van het NSW-knooppunt van de Australian National Fabrication Facility.

Vorig jaar, Dzurak en collega's publiceerden een ontwerp voor een nieuwe chiparchitectuur waarmee kwantumberekeningen kunnen worden uitgevoerd met behulp van silicium CMOS-componenten (complementaire metaaloxide-halfgeleider) - de basis van alle moderne computerchips.

In hun nieuwe studie vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , het team combineert voor het eerst twee fundamentele kwantumtechnieken, bevestiging van de belofte van hun aanpak.

Het team van Dzurak had eerder ook aangetoond dat een geïntegreerd silicium qubit-platform kan werken met single-spin adresseerbaarheid - de mogelijkheid om een ​​enkele spin te draaien zonder zijn buren te storen.

Ze hebben nu aangetoond dat ze dit kunnen combineren met een speciaal soort kwantumuitleesproces dat bekend staat als Pauli-spinblokkade, een belangrijke vereiste voor kwantumfoutcorrigerende codes die nodig zijn om de nauwkeurigheid te garanderen in grote op spin gebaseerde kwantumcomputers. Deze nieuwe combinatie van qubit-uitlezings- en besturingstechnieken is een centraal kenmerk van hun kwantumchipontwerp.

"We hebben de mogelijkheid aangetoond om Pauli spin-uitlezing te doen in ons silicium qubit-apparaat, maar, Voor de eerste keer, we hebben het ook gecombineerd met spinresonantie om de spin te controleren, ' zegt Dzurak.

"Dit is een belangrijke mijlpaal voor ons op weg naar het uitvoeren van kwantumfoutcorrectie met spin-qubits, wat essentieel zal zijn voor elke universele kwantumcomputer."

"Correctie van kwantumfouten is een essentiële vereiste bij het creëren van grootschalige, bruikbare kwantumcomputers, omdat alle qubits kwetsbaar zijn, en je moet corrigeren voor fouten als ze opduiken, " zegt hoofdauteur, Michael Fogarty, die de experimenten uitvoerde als onderdeel van zijn Ph.D. onderzoek met professor Dzurak bij UNSW.

"Maar dit zorgt voor een aanzienlijke overhead in het aantal fysieke qubits dat je nodig hebt om het systeem te laten werken, " merkt Fogarty op.

Dzurak zegt, "Door gebruik te maken van silicium CMOS-technologie hebben we het ideale platform om op te schalen naar de miljoenen qubits die we nodig hebben, en onze recente resultaten bieden ons de tools om in de nabije toekomst spin-qubit-foutcorrectie te realiseren."

"Het is opnieuw een bevestiging dat we op de goede weg zijn. En het laat ook zien dat de architectuur die we bij UNSW hebben ontwikkeld, tot dusver, geen belemmeringen getoond voor de ontwikkeling van een werkende kwantumcomputerchip."

"En, Bovendien, een die kan worden vervaardigd met behulp van gevestigde industriële processen en componenten."

De unieke benadering van CQC2T met behulp van silicium

Werken in silicium is niet alleen belangrijk omdat het element goedkoop en overvloedig is, maar omdat het al bijna 60 jaar het hart van de wereldwijde computerindustrie vormt. De eigenschappen van silicium zijn goed begrepen en chips die miljarden conventionele transistors bevatten, worden routinematig vervaardigd in grote productiefaciliteiten.

Drie jaar geleden, Dzurak's team gepubliceerd in het tijdschrift Natuur de eerste demonstratie van kwantumlogica-berekeningen 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, " zegt professor 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. We moeten daar gewoon op blijven 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 auteurs van de nieuwe Natuurcommunicatie paper zijn UNSW-onderzoekers Kok Wai Chan, Bas Hensen, Wister Huang, Tuomo Tanttu, Hendrik Yang, Arne Laucht, Fay Hudson en Andrea Morello, evenals Menno Veldhorst van QuTech en TU Delft, Thaddeus Ladd van HRL Laboratories en Kohei Itoh van de Japanse Keio University.

Het intellectuele eigendom van CQC2T commercialiseren

in 2017, een consortium van Australische regeringen, industrie en universiteiten hebben Australië's eerste kwantumcomputerbedrijf opgericht om het toonaangevende intellectuele eigendom van CQC2T te commercialiseren.

Opererend vanuit nieuwe laboratoria bij UNSW, Silicon Quantum Computing Pty Ltd (SQC) heeft als doel om tegen 2022 een demonstratieapparaat van 10 qubit in silicium te produceren. als de voorloper van het creëren van een op silicium gebaseerde kwantumcomputer.

Het werk van Dzurak en zijn team zal een onderdeel zijn van SQC om die ambitie te realiseren. UNSW-wetenschappers en -ingenieurs bij CQC2T ontwikkelen parallelle gepatenteerde benaderingen met behulp van qubits met één atoom en kwantumdots.

In mei 2018, de toenmalige premier van Australië, Malcolm Turnbull, en de president van Frankrijk, Emmanuel Macron, kondigde de ondertekening aan van een Memorandum of Understanding (MoU) over een nieuwe samenwerking tussen SQC en de toonaangevende Franse onderzoeks- en ontwikkelingsorganisatie, Commissariaat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA).

Het MoU schetste plannen om een ​​joint venture te vormen op het gebied van silicium-CMOS-quantumcomputertechnologie om de technologische ontwikkeling te versnellen en te focussen, en om commercialiseringsmogelijkheden te benutten - Franse en Australische inspanningen om een ​​kwantumcomputer te ontwikkelen samenbrengen.

De voorgestelde Australisch-Franse joint venture zou het team van Dzurak samenbrengen, gevestigd aan de UNSW, met een team onder leiding van Dr. Maud Vinet van CEA, die experts zijn in geavanceerde CMOS-productietechnologie, en die onlangs ook een siliciumqubit hebben gedemonstreerd die is gemaakt met behulp van hun prototypingfaciliteit op industriële schaal in Grenoble.

Geschat wordt dat industrieën die ongeveer 40% van de huidige economie van Australië uitmaken, aanzienlijk kunnen worden beïnvloed door kwantumcomputers.

Mogelijke toepassingen zijn softwareontwerp, machinaal leren, planning en logistieke planning, financiële analyse, beursmodellering, software- en hardwareverificatie, klimaatmodellering, snel medicijnontwerp en testen, en vroege opsporing en preventie van ziekten.