Wetenschappers en ingenieurs van de Universiteit van Sydney en Microsoft Corporation hebben het volgende hoofdstuk in kwantumtechnologie geopend met de uitvinding van een enkele chip die besturingssignalen kan genereren voor duizenden qubits, de bouwstenen van kwantumcomputers.

"Om het potentieel van quantum computing te realiseren, machines zullen duizenden, zo niet miljoenen qubits moeten bedienen, " zei professor David Reilly, een ontwerper van de chip die samenwerkt met Microsoft en de Universiteit van Sydney.

"'S Werelds grootste kwantumcomputers werken momenteel met slechts 50 of zo qubits, " zei hij. "Deze kleinschaligheid is deels te wijten aan beperkingen aan de fysieke architectuur die de qubits bestuurt."

"Onze nieuwe chip maakt een einde aan die limieten."

De resultaten zijn gepubliceerd in Natuur Elektronica .

De meeste kwantumsystemen hebben kwantumbits nodig, of qubits, om te werken bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt (-273,15 graden). Dit om te voorkomen dat ze hun 'quantumness' verliezen, het karakter van materie of licht dat kwantumcomputers nodig hebben om hun gespecialiseerde berekeningen uit te voeren.

Om ervoor te zorgen dat kwantumapparaten iets nuttigs kunnen doen, ze hebben instructies nodig. Dat betekent het verzenden en ontvangen van elektronische signalen van en naar de qubits. Met de huidige kwantumarchitectuur, daar komen veel draden bij kijken.

"De huidige machines creëren een prachtige reeks draden om de signalen te regelen; ze zien eruit als een omgekeerd verguld vogelnest of een kroonluchter. Ze zijn mooi, maar fundamenteel onpraktisch. Het betekent dat we de machines niet kunnen opschalen om bruikbare berekeningen uit te voeren. Er is een echte input-output bottleneck, " zei professor Reilly, ook een hoofdonderzoeker bij het ARC Center for Engineered Quantum Systems (EQUS).

Microsoft Senior hardware-ingenieur, Dr. Kushal Das, een mede-uitvinder van de chip, zei:"Ons apparaat maakt een einde aan al die kabels. Met slechts twee draden die informatie als invoer dragen, het kan besturingssignalen genereren voor duizenden qubits.

"Dit verandert alles voor quantum computing."

De controlechip is ontwikkeld in de Microsoft Quantum Laboratories aan de Universiteit van Sydney, een uniek industrieel-academisch partnerschap dat de manier verandert waarop wetenschappers technische uitdagingen aanpakken.

"Het bouwen van een kwantumcomputer is misschien wel de meest uitdagende technische taak van de 21e eeuw. Dit kan niet worden bereikt met een klein team in een universitair laboratorium in een enkel land, maar heeft de schaal nodig die wordt geboden door een wereldwijde technologiegigant als Microsoft, ' zei professor Reilly.

"Door onze samenwerking met Microsoft, we hebben niet alleen een theoretische architectuur voorgesteld om de bottleneck van input-output te overwinnen, we hebben het gebouwd.

"We hebben dit aangetoond door een aangepaste siliciumchip te ontwerpen en deze te koppelen aan een kwantumsysteem, " zei hij. "Ik ben ervan overtuigd te kunnen zeggen dat dit het meest geavanceerde geïntegreerde circuit is dat ooit is gebouwd om bij diepe cryogene temperaturen te werken."

Indien gerealiseerd, kwantumcomputers beloven een revolutie teweeg te brengen in de informatietechnologie door problemen op te lossen die buiten het bereik van klassieke computers vallen op uiteenlopende gebieden als cryptografie, medicijn, financiën, kunstmatige intelligentie en logistiek.

Energiebudget

Quantumcomputers bevinden zich in een vergelijkbaar stadium als klassieke computers in de jaren veertig. Machines zoals ENIAC, 's werelds eerste elektronische computer, vereiste kamers van controlesystemen om elke nuttige functie te bereiken.

Het heeft tientallen jaren geduurd om de wetenschappelijke en technische uitdagingen te overwinnen die het nu mogelijk maken dat miljarden transistors in uw mobiele telefoon passen.

"Onze industrie staat voor misschien nog grotere uitdagingen om kwantumcomputing verder te brengen dan het ENIAC-stadium, ' zei professor Reilly.

"We moeten zeer complexe siliciumchips ontwikkelen die werken op 0,1 Kelvin, " zei hij. "Dat is een omgeving die 30 keer kouder is dan de diepe ruimte".

Dr. Sebastian Pauka's promotieonderzoek aan de Universiteit van Sydney omvatte een groot deel van het werk om kwantumapparaten met de chip te koppelen. Hij zei:"Werken bij zulke koude temperaturen betekent dat we een ongelooflijk laag energiebudget hebben. Als we proberen meer vermogen in het systeem te stoppen, we oververhitten de hele zaak."

Om hun resultaat te bereiken, de wetenschappers van Sydney en Microsoft hebben het meest geavanceerde geïntegreerde circuit gebouwd om bij cryogene temperaturen te werken.

"We hebben dit gedaan door een systeem te ontwerpen dat dicht bij de qubits werkt zonder hun activiteiten te verstoren, ' zei professor Reilly.

"Huidige controlesystemen voor qubits zijn meters verwijderd van de actie, bij wijze van spreken. Ze bestaan ​​meestal bij kamertemperatuur.

"In ons systeem hoeven we niet van het cryogene platform af te komen. De chip zit precies bij de qubits. Dit betekent een lager vermogen en hogere snelheden. Het is een echt controlesysteem voor kwantumtechnologie."

Jaren van techniek

"Uitzoeken hoe deze apparaten kunnen worden bediend, vergt jaren van technische ontwikkeling, " Professor Reilly zei. "Voor dit apparaat zijn we vier jaar geleden begonnen toen de Universiteit van Sydney een samenwerking aanging met Microsoft, die de grootste investering in kwantumtechnologie in Australië vertegenwoordigt.

"We hebben veel modellen en ontwerpbibliotheken gebouwd om het gedrag van transistors bij diepe cryogene temperaturen vast te leggen. Daarna moesten we apparaten bouwen, laat ze verifiëren, gekarakteriseerd en tenslotte verbinden met qubits om ze in de praktijk te zien werken."

Vice-kanselier en directeur van de Universiteit van Sydney, Professor Stephen Garton, zei:"De hele universitaire gemeenschap is trots op het succes van professor Reilly en we kijken uit naar vele jaren van voortgezette samenwerking met Microsoft."

Professor Reilly zei dat het veld nu fundamenteel is veranderd. "Het gaat niet alleen om 'hier is mijn qubit'. Het gaat erom hoe je alle lagen en alle technologie bouwt om een ​​echte machine te bouwen.

'Onze samenwerking met Microsoft stelt ons in staat om met academische nauwkeurigheid te werken, met het voordeel dat onze resultaten snel in de praktijk worden gebracht."

De plaatsvervangend vice-kanselier (onderzoek), Professor Duncan Ivison, zei:"Onze samenwerking met Microsoft ging over het realiseren van de geïnspireerde visie van David Reilly om kwantumtechnologie mogelijk te maken. Het is geweldig om te zien dat die visie werkelijkheid wordt."

Professor Reilly zei:"Als we alleen in de academische wereld waren gebleven, zou deze chip nooit zijn gebouwd."

De Australische wetenschapper zei dat hij daar niet stopt.

"We zijn net begonnen met deze nieuwe golf van kwantuminnovatie, " zei hij. "Het mooie van de samenwerking is dat we niet zomaar een paper publiceren en verder gaan. We kunnen nu verder met de blauwdruk om quantumtechnologie op industriële schaal te realiseren."