De meeste kwantumcomputers die over de hele wereld worden ontwikkeld, werken slechts bij fracties van een graad boven het absolute nulpunt. Dat vereist koeling van meerdere miljoenen dollars en zodra je ze op conventionele elektronische circuits aansluit, raken ze onmiddellijk oververhit.

Maar nu hebben onderzoekers onder leiding van professor Andrew Dzurak van UNSW Sydney dit probleem aangepakt.

"Onze nieuwe resultaten openen een pad van experimentele apparaten naar betaalbare kwantumcomputers voor echte zakelijke en overheidstoepassingen, " zegt professor Dzurak.

De proof-of-concept quantumprocessor-eenheidscel van de onderzoekers, op een siliciumchip, werkt op 1,5 Kelvin - 15 keer warmer dan de belangrijkste concurrerende op chips gebaseerde technologie die door Google wordt ontwikkeld, IBM, en anderen, die gebruikmaakt van supergeleidende qubits.

"Dit is nog steeds erg koud, maar is een temperatuur die kan worden bereikt met slechts een paar duizend dollar aan koeling, in plaats van de miljoenen dollars die nodig zijn om chips af te koelen tot 0,1 Kelvin, " legt Dzurak uit.

"Hoewel het moeilijk te waarderen is om onze alledaagse concepten van temperatuur te gebruiken, deze toename is extreem in de kwantumwereld."

Van kwantumcomputers wordt verwacht dat ze beter presteren dan conventionele computers voor een reeks belangrijke problemen, van precisiegeneesmiddelen maken tot zoekalgoritmen. Er een ontwerpen die kan worden vervaardigd en bediend in een echte wereld, echter, vormt een grote technische uitdaging.

De UNSW-onderzoekers geloven dat ze een van de moeilijkste obstakels hebben overwonnen die in de weg staan ​​om quantumcomputers werkelijkheid te laten worden.

In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Natuur vandaag, Het Dzurak-team, samen met medewerkers in Canada, Finland en Japan, rapporteer een proof-of-concept quantumprocessor-eenheidscel die, in tegenstelling tot de meeste ontwerpen die wereldwijd worden onderzocht, hoeft niet te werken bij temperaturen onder een tiende van een Kelvin.

Het team van Dzurak maakte in februari vorig jaar voor het eerst hun experimentele resultaten bekend via het academische pre-printarchief. Vervolgens, in oktober 2019, een groep in Nederland onder leiding van een voormalig postdoctoraal onderzoeker in de groep van Dzurak, Menno Veldhorst, kondigde een soortgelijk resultaat aan met dezelfde siliciumtechnologie die in 2014 bij UNSW werd ontwikkeld. De bevestiging van dit 'hot qubit'-gedrag door twee groepen aan weerszijden van de wereld heeft ertoe geleid dat de twee papers 'back-to-back' in de hetzelfde nummer van Natuur vandaag.

Qubit-paren zijn de fundamentele eenheden van quantum computing. Net als zijn klassieke computeranaloog - de bit - kenmerkt elke qubit twee toestanden, een 0 of een 1, om een ​​binaire code te maken. In tegenstelling tot een beetje, echter, het kan beide toestanden tegelijkertijd manifesteren, in wat bekend staat als een "superpositie".

De eenheidscel die is ontwikkeld door het team van Dzurak bestaat uit twee qubits opgesloten in een paar kwantumdots ingebed in silicium. Het resultaat, opgeschaald, kan worden vervaardigd met behulp van bestaande siliciumchipfabrieken, en zou werken zonder de noodzaak van koeling van meerdere miljoenen dollars. Het zou ook gemakkelijker te integreren zijn met conventionele siliciumchips, die nodig zijn om de kwantumprocessor te besturen.

Een kwantumcomputer die de complexe berekeningen kan uitvoeren die nodig zijn om nieuwe medicijnen te ontwerpen, bijvoorbeeld, zullen miljoenen qubit-paren nodig hebben, en wordt algemeen aangenomen dat het minstens een decennium verwijderd is. Deze behoefte aan miljoenen qubits vormt een grote uitdaging voor ontwerpers.

"Elk qubit-paar dat aan het systeem wordt toegevoegd, verhoogt de totale gegenereerde warmte, " legt Dzurak uit, "en extra warmte leidt tot fouten. Dat is vooral de reden waarom huidige ontwerpen zo dicht bij het absolute nulpunt moeten worden gehouden."

Het vooruitzicht om kwantumcomputers te onderhouden met voldoende qubits om bruikbaar te zijn bij temperaturen die veel kouder zijn dan de diepe ruimte is ontmoedigend, duur en drijft de koeltechniek tot het uiterste.

Het UNSW-team, echter, een elegante oplossing voor het probleem hebben gecreëerd, door de qubit-paren te initialiseren en te "lezen" met behulp van elektronen die tunnelen tussen de twee kwantumdots.

De proof-of-principle-experimenten werden uitgevoerd door Dr. Henry Yang van het UNSW-team, die Dzurak beschrijft als een "briljante experimentator".