Vorig jaar, Google produceerde een kwantumcomputer van 53 qubit die een specifieke berekening aanzienlijk sneller kon uitvoeren dan 's werelds snelste supercomputer. Zoals de meeste van de grootste kwantumcomputers van vandaag, dit systeem heeft tientallen qubits - de kwantumtegenhangers van bits, die informatie coderen in conventionele computers.

Om grotere en meer bruikbare systemen te maken, de meeste van de huidige prototypes zullen de uitdagingen van stabiliteit en schaalbaarheid moeten overwinnen. Dit laatste vereist een grotere dichtheid van signalering en bedrading, wat moeilijk te doen is zonder de stabiliteit van het systeem aan te tasten. Ik geloof dat een nieuw bedradingsschema dat de afgelopen drie jaar is ontwikkeld door het Superconducting Quantum Electronics Research Team van RIKEN, in samenwerking met andere instituten, opent de deur naar opschaling tot 100 of meer qubits in het komende decennium. Hier, Ik bespreek hoe.

Uitdaging één:schaalbaarheid

Quantumcomputers verwerken informatie met behulp van delicate en complexe interacties op basis van de principes van de kwantummechanica. Om dit verder uit te leggen, moeten we qubits begrijpen. Een kwantumcomputer is opgebouwd uit individuele qubits, die analoog zijn aan de binaire bits die in conventionele computers worden gebruikt. Maar in plaats van de nul of één binaire toestanden van een bit, een qubit moet een zeer fragiele kwantumtoestand behouden. In plaats van alleen nul of één te zijn, qubits kunnen zich ook in een staat bevinden die een superpositie wordt genoemd - waar ze zich tegelijkertijd in een staat van zowel nul als één bevinden. Hierdoor kunnen kwantumcomputers op basis van qubits gegevens parallel verwerken voor elke mogelijke logische status, nul of één, en ze kunnen dus efficiënter werken, en dus sneller berekeningen dan conventionele computers op basis van bits voor bepaalde soorten problemen.

Echter, het is veel moeilijker om een ​​qubit te maken dan een conventioneel bit, en volledige controle over het kwantummechanische gedrag van een circuit is nodig. Wetenschappers hebben een paar manieren bedacht om dit met enige betrouwbaarheid te doen. Bij RIKEN, een supergeleidend circuit met een element dat een Josephson-overgang wordt genoemd, wordt gebruikt om een ​​nuttig kwantummechanisch effect te creëren. Op deze manier, qubits kunnen nu betrouwbaar en herhaaldelijk worden geproduceerd met nanofabricagetechnieken die vaak worden gebruikt in de halfgeleiderindustrie.

De uitdaging van schaalbaarheid komt voort uit het feit dat elke qubit dan bedrading en verbindingen nodig heeft die controles en uitlezingen produceren met minimale overspraak. Terwijl we langs kleine twee-bij-twee of vier-bij-vier arrays van qubits kwamen, we hebben ons gerealiseerd hoe dicht de bijbehorende bedrading kan worden verpakt, en we moesten betere systemen en fabricagemethoden creëren om te voorkomen dat onze draden gekruist worden, letterlijk.

Bij RIKEN, we hebben een array van vier bij vier qubits gebouwd met ons eigen bedradingsschema, waarbij de verbindingen met elke qubit verticaal worden gemaakt vanaf de achterkant van een chip, in plaats van een aparte 'flip-chip'-interface die door andere groepen wordt gebruikt en die de bedradingspads naar de randen van een kwantumchip brengt. Dit omvat een geavanceerde fabricage met een dichte reeks supergeleidende via's (elektrische verbindingen) via een siliciumchip, maar het zou ons in staat moeten stellen om op te schalen naar veel grotere apparaten. Ons team werkt aan een 64-qubit-apparaat, die we in de komende drie jaar hopen te hebben. Dit zal in nog eens vijf jaar worden gevolgd door een apparaat van 100 qubit als onderdeel van een nationaal gefinancierd onderzoeksprogramma. Dit platform moet uiteindelijk maximaal een 1, 000 qubits te integreren op een enkele chip.

Uitdaging twee:stabiliteit

De andere grote uitdaging voor kwantumcomputers is hoe om te gaan met de intrinsieke kwetsbaarheid van de qubits voor fluctuaties of ruis van externe krachten zoals temperatuur. Om een ​​qubit te laten functioneren, het moet in een staat van kwantumsuperpositie worden gehouden, of 'kwantumcoherentie'. In de begindagen van supergeleidende qubits, we zouden deze toestand slechts nanoseconden kunnen laten duren. Nutsvoorzieningen, door kwantumcomputers af te koelen tot cryogene temperaturen en verschillende andere omgevingscontroles te creëren, we kunnen de coherentie tot 100 microseconden behouden. Een paar honderd microseconden zouden ons in staat stellen een paar duizend informatieverwerkingsoperaties uit te voeren, gemiddeld, voordat de samenhang verloren gaat.

In theorie, een manier om met instabiliteit om te gaan, is door kwantumfoutcorrectie te gebruiken, waar we verschillende fysieke qubits gebruiken om een ​​enkele "logische qubit, " en een foutcorrectieprotocol toepassen dat fouten kan diagnosticeren en herstellen om de logische qubit te beschermen. Maar om vele redenen is dit nog ver weg, niet in de laatste plaats het probleem van schaalbaarheid.

Kwantumcircuits

Sinds de jaren 1990, voordat quantum computing een groot ding werd. Toen ik begon, Ik was geïnteresseerd in de vraag of mijn team kwantumsuperpositietoestanden binnen elektrische circuits kon creëren en meten. Destijds, het was helemaal niet duidelijk of elektrische circuits zich als geheel kwantummechanisch konden gedragen. Om een ​​stabiele qubit in een circuit te realiseren en in- en uitschakeltoestanden in het circuit te creëren, het circuit moest ook in staat zijn om een ​​superpositietoestand te ondersteunen.

Uiteindelijk kwamen we op het idee om een ​​supergeleidende schakeling te gebruiken. De supergeleidende toestand is vrij van alle elektrische weerstanden en verliezen, en dus is het gestroomlijnd om te reageren op kleine kwantummechanische effecten. Om deze schakeling te testen, we gebruikten een supergeleidend eiland op microschaal van aluminium, die was verbonden met een grotere supergeleidende aardelektrode via een Josephson-junctie - een junctie gescheiden door een nanometer dikke isolerende barrière - en we vingen supergeleidende elektronenparen op die over de junctie tunnelden. Vanwege de kleinheid van het aluminium eiland, het kan maximaal één extra paar accommoderen vanwege een effect dat bekend staat als Coulomb-blokkade tussen negatief geladen paren. De toestanden van nul of één overtollige paren op het eiland kunnen worden gebruikt als de toestand van een qubit. De kwantummechanische tunneling handhaaft de coherentie van de qubit en stelt ons in staat een superpositie van de toestanden te creëren, die volledig wordt gecontroleerd met microgolfpulsen.

Hybride systemen

Vanwege hun zeer delicate karakter, Het is onwaarschijnlijk dat kwantumcomputers in de nabije toekomst in huizen zullen komen. Echter, het erkennen van de enorme voordelen van op onderzoek gerichte kwantumcomputers, industriële giganten zoals Google en IBM, evenals vele startende bedrijven en academische instituten over de hele wereld, investeren steeds meer in onderzoek.

Een commercieel kwantumcomputerplatform met volledige foutcorrectie is waarschijnlijk nog meer dan een decennium verwijderd, maar state-of-the-art technische ontwikkelingen zorgen nu al voor de mogelijkheid van nieuwe wetenschap en toepassingen. Kleinschalige kwantumschakelingen voeren al nuttige taken uit in het laboratorium.

Bijvoorbeeld, we gebruiken ons supergeleidende kwantumcircuitplatform in combinatie met andere kwantummechanische systemen. Dit hybride kwantumsysteem stelt ons in staat om een ​​enkele kwantumreactie te meten binnen collectieve excitaties - of het nu gaat om precessie van elektronenspins in een magneet, kristalroostertrillingen in een substraat, of elektromagnetische velden in een circuit - met een ongekende gevoeligheid. Deze metingen zouden ons begrip van de kwantumfysica moeten vergroten, en daarmee quantum computing. Ons systeem is ook gevoelig genoeg om een ​​enkel foton te meten bij microgolffrequenties, waarvan de energie ongeveer vijf ordes van grootte lager is dan die van een zichtbaar licht foton, zonder het te absorberen of te vernietigen. De hoop is dat dit zal dienen als een bouwsteen voor kwantumnetwerken die verre qubit-modules verbinden, onder andere.

Kwantum internet

Het koppelen van een supergeleidende kwantumcomputer aan een optisch kwantumcommunicatienetwerk is een andere toekomstige uitdaging voor ons hybride systeem. Dit zou worden ontwikkeld in afwachting van een toekomst met een kwantuminternet dat is verbonden door optische bedrading die doet denken aan het internet van vandaag. Echter, zelfs een enkel foton van infrarood licht op een telecommunicatiegolflengte kan niet direct een supergeleidende qubit raken zonder de kwantuminformatie te verstoren, dus zorgvuldig ontwerp is een must. We onderzoeken momenteel hybride kwantumsystemen die kwantumsignalen omzetten van een supergeleidende qubit naar een infrarood foton. en vice versa, via andere kwantumsystemen, zoals een met een kleine akoestische oscillator.

Hoewel veel complexe problemen moeten worden opgelost, wetenschappers kunnen een toekomst zien die wordt verbeterd door kwantumcomputers aan de horizon. In feite, kwantumwetenschap is al in onze handen elke dag. Transistoren en laserdiodes zouden nooit zijn uitgevonden zonder een goed begrip van de eigenschappen van elektronen in halfgeleiders, die volledig gebaseerd is op het begrijpen van de kwantummechanica. Dus via smartphones en internet, we zijn al volledig afhankelijk van de kwantummechanica, en dat zullen we in de toekomst alleen maar meer worden.