Een nieuwe studie schetst de behoefte aan materiële vooruitgang in de hardware die nodig is om kwantumcomputers te maken, als deze futuristische apparaten de mogelijkheden van de computers die we tegenwoordig gebruiken, willen overtreffen.

De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap door een internationaal team, onderzocht de stand van het onderzoek naar hardware voor kwantumcomputers met als doel de uitdagingen en kansen voor wetenschappers en ingenieurs te illustreren.

Terwijl conventionele computers 'bits' informatie coderen als enen en nullen, kwantumcomputers vliegen voorbij deze binaire rangschikking door 'qubits, ' wat complex kan zijn, continue hoeveelheden. Om informatie in deze exotische vorm op te slaan en te manipuleren - en uiteindelijk 'kwantumvoordeel' te bereiken waar kwantumcomputers dingen doen die conventionele computers niet kunnen - vereist geavanceerde controle van de onderliggende materialen.

"Er is de afgelopen 20 jaar een explosie geweest in de ontwikkeling van kwantumtechnologieën, zei Nathalie de Leon, assistent-professor elektrische en computertechniek aan de Princeton University en de hoofdauteur van het artikel, "culminerend in de huidige inspanningen om kwantumvoordeel te tonen voor een verscheidenheid aan taken, van computing en simulatie tot netwerken en sensing."

Tot voor kort, het grootste deel van dit werk was gericht op het demonstreren van proof-of-principle kwantumapparaten en -processors, de Leon zei, maar nu is het veld klaar om echte uitdagingen aan te gaan.

"Net zoals klassieke computerhardware in de vorige eeuw een enorm veld werd in materiaalwetenschap en techniek, Ik denk dat het veld van kwantumtechnologieën nu rijp is voor een nieuwe benadering, waar materiaalwetenschappers, chemici, apparaatingenieurs en andere wetenschappers en ingenieurs kunnen hun expertise op een productieve manier inzetten voor het probleem."

De paper is een oproep aan wetenschappers die materialen bestuderen om de uitdaging aan te gaan om hardware te ontwikkelen voor kwantumcomputers, zei Hanhee Paik, corresponderende auteur en een onderzoeksmedewerker bij IBM Quantum.

"De vooruitgang in kwantumcomputertechnologieën is de afgelopen jaren versneld, zowel in onderzoek als in de industrie, "Zei Paik. "Om in het volgende decennium vooruit te blijven gaan, we hebben vooruitgang nodig op het gebied van materialen en fabricagetechnologieën voor hardware voor kwantumcomputers - op een vergelijkbare manier als hoe klassiek computergebruik vorderde bij het schalen van microprocessors. Doorbraken ontstaan ​​niet van de ene op de andere dag, en we hopen dat meer mensen in de materialengemeenschap zullen gaan werken aan kwantumcomputertechnologie. Onze paper is geschreven om de materialengemeenschap een uitgebreid overzicht te geven van waar we ons bevinden op het gebied van materiaalontwikkeling in kwantumcomputing met deskundige meningen uit het veld."

De kern van kwantumcomputers zijn qubits, die samenwerken om resultaten te boeken.

Deze qubits kunnen op verschillende manieren gemaakt worden, met als toonaangevende technologieën supergeleidende qubits, qubits gemaakt van het vangen van ionen met licht, qubits gemaakt van de siliciummaterialen die tegenwoordig in computers worden gevonden, qubits gevangen in "kleurcentra" in zeer zuivere diamanten, en topologisch beschermde qubits weergegeven in exotische subatomaire deeltjes. De paper analyseerde de belangrijkste technologische uitdagingen die met elk van deze materialen gepaard gaan en stelt strategieën voor om deze problemen aan te pakken.

Onderzoekers hopen dat een of meer van deze platforms uiteindelijk het stadium zullen bereiken waarin kwantumcomputing problemen kan oplossen die de machines van vandaag onmogelijk vinden, zoals het modelleren van het gedrag van moleculen en het bieden van veilige elektronische codering.

"Ik denk dat [dit artikel] de eerste keer is dat dit soort uitgebreide foto is samengesteld. We gaven prioriteit aan 'het tonen van ons werk, ' en het uitleggen van de redenering achter de ontvangen wijsheid voor elk hardwareplatform, zei de Leon. "We hopen dat deze aanpak het voor nieuwkomers in het veld mogelijk zal maken om manieren te vinden om een ​​grote bijdrage te leveren."

De tien co-auteurs zijn afkomstig van onderzoeksinstellingen over de hele wereld, evenals van IBM T.J. Watson Research Center, die een grote onderzoeksgroep voor kwantumcomputers heeft. De wetenschappers ontmoetten elkaar tijdens een symposium over materialen voor kwantumcomputing, gesponsord door IBM Quantum en de Kavli Foundation en gehouden op de Materials Research Society Fall Meeting in 2019. Daarna brachten ze vorig jaar een groot deel van hun tijd door tijdens de thuisblijfperiode van de pandemie. dit overzichtsartikel.

"Het was een geweldige ervaring om te werken met een groep met zo'n uiteenlopende expertise, en veel van onze activiteiten bestonden uit het stellen van moeilijke vragen aan elkaar over waarom we geloofden in de dingen die we deden met onze respectieve materiële platforms, zei de Leon, wiens onderzoek gebruik maakt van gebreken in diamantmaterialen om communicatie tussen knooppunten in een toekomstig kwantuminternet mogelijk te maken.