Efficiënte quantum computing zal naar verwachting vooruitgang mogelijk maken die onmogelijk is met klassieke computers. Wetenschappers uit Japan en Sydney hebben samengewerkt en een nieuw tweedimensionaal ontwerp voorgesteld dat kan worden geconstrueerd met behulp van bestaande technologie voor geïntegreerde schakelingen. Dit ontwerp lost typische problemen op waarmee de huidige driedimensionale verpakking voor opgeschaalde kwantumcomputers wordt geconfronteerd, de toekomst een stap dichterbij brengen.

Quantum computing wordt steeds meer de focus van wetenschappers op gebieden als natuurkunde en scheikunde, en industriëlen in de farmaceutische, vliegtuig, en auto-industrie. wereldwijd, onderzoekslaboratoria bij bedrijven als Google en IBM besteden veel geld aan het verbeteren van kwantumcomputers, en met goede reden. Kwantumcomputers gebruiken de fundamenten van de kwantummechanica om aanzienlijk grotere hoeveelheden informatie veel sneller te verwerken dan klassieke computers. Verwacht wordt dat wanneer foutgecorrigeerde en fouttolerante kwantumberekening wordt bereikt, wetenschappelijke en technologische vooruitgang zal plaatsvinden op een ongekende schaal.

Maar het bouwen van kwantumcomputers voor grootschalige berekeningen blijkt een uitdaging te zijn in termen van hun architectuur. De basiseenheden van een kwantumcomputer zijn de 'kwantumbits' of 'qubits'. Dit zijn typisch atomen, ionen, fotonen, subatomaire deeltjes zoals elektronen, of zelfs grotere elementen die tegelijkertijd in meerdere staten bestaan, waardoor het mogelijk is om snel verschillende mogelijke uitkomsten te verkrijgen voor grote hoeveelheden gegevens. De theoretische vereiste voor kwantumcomputers is dat deze zijn gerangschikt in tweedimensionale (2D) arrays, waarbij elke qubit zowel is gekoppeld aan zijn naaste buur als verbonden met de benodigde externe besturingslijnen en apparaten. Wanneer het aantal qubits in een array wordt verhoogd, het wordt moeilijk om vanaf de rand qubits in het binnenste van de array te bereiken. De noodzaak om dit probleem op te lossen heeft tot dusver geresulteerd in complexe driedimensionale (3-D) bedradingssystemen over meerdere vlakken waarin veel draden elkaar kruisen, waardoor hun constructie een belangrijke technische uitdaging vormt.

Een groep wetenschappers van de Tokyo University of Science, Japan, RIKEN Centrum voor Wetenschap van de Opkomende Materie, Japan, en Technische Universiteit, Sydney, onder leiding van prof. Jaw-Shen Tsai, stelt een unieke oplossing voor dit qubit-toegankelijkheidsprobleem voor door de architectuur van de qubit-array te wijzigen. "Hier, we lossen dit probleem op en presenteren een gewijzigde supergeleidende micro-architectuur die geen 3D-buitenlijntechnologie vereist en terugkeert naar een volledig vlak ontwerp, " schrijven ze. De studie is gepubliceerd in de Nieuw tijdschrift voor natuurkunde .

De wetenschappers begonnen met een qubit vierkante roosterarray en strekten elke kolom uit in het 2D-vlak. Vervolgens vouwden ze elke volgende kolom op elkaar, het vormen van een dubbele eendimensionale array die een bilineaire array wordt genoemd. Dit zette alle qubits op het randje en vereenvoudigde de opstelling van het benodigde bedradingssysteem. Het systeem is 2-D. In deze nieuwe architectuur een deel van de inter-qubit-bedrading - elke qubit is ook verbonden met alle aangrenzende qubits in een array - overlapt, maar omdat dit de enige overlappingen zijn in de bedrading, eenvoudige lokale 3D-systemen zoals luchtbruggen op het overlappende punt zijn voldoende en het systeem blijft in het algemeen in 2D. Zoals u zich kunt voorstellen, dit vereenvoudigt de constructie aanzienlijk.

De wetenschappers evalueerden de haalbaarheid van deze nieuwe opstelling door middel van numerieke en experimentele evaluatie waarin ze testten hoeveel van een signaal werd vastgehouden voor en nadat het door een luchtbrug was gegaan. De resultaten van beide evaluaties toonden aan dat het mogelijk is om dit systeem te bouwen en te gebruiken met behulp van bestaande technologie en zonder enige 3D-opstelling.

De experimenten van de wetenschappers toonden hen ook aan dat hun architectuur verschillende problemen oplost die de 3D-structuren teisteren:ze zijn moeilijk te construeren, er is overspraak of signaalinterferentie tussen golven die over twee draden worden verzonden, en de fragiele kwantumtoestanden van de qubits kunnen degraderen. Het nieuwe pseudo-2-D-ontwerp vermindert het aantal keren dat draden elkaar kruisen, waardoor de overspraak wordt verminderd en bijgevolg de efficiëntie van het systeem wordt verhoogd.

In een tijd waarin grote laboratoria over de hele wereld manieren proberen te vinden om grootschalige fouttolerante kwantumcomputers te bouwen, de bevindingen van deze opwindende nieuwe studie geven aan dat dergelijke computers kunnen worden gebouwd met behulp van bestaande 2D-geïntegreerde circuittechnologie. "De kwantumcomputer is een informatieapparaat dat naar verwachting de mogelijkheden van moderne computers ver overtreft, " Prof Tsai stelt. Het onderzoek in deze richting is pas begonnen met deze studie, en Prof Tsai besluit met te zeggen:"We zijn van plan om een ​​kleinschalig circuit te bouwen om de mogelijkheid verder te onderzoeken en te verkennen."