Quantumingenieurs van UNSW Sydney hebben een groot obstakel verwijderd dat de realiteit van quantumcomputers in de weg stond. Ze ontdekten een nieuwe techniek die naar eigen zeggen in staat zal zijn om miljoenen spin-qubits te controleren - de basiseenheden van informatie in een siliciumkwantumprocessor.

Tot nu, kwantumcomputeringenieurs en wetenschappers hebben gewerkt met een proof-of-concept-model van kwantumprocessors door de besturing van slechts een handvol qubits aan te tonen.

Maar met hun laatste onderzoek, vandaag gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , het team heeft gevonden wat zij beschouwen als "het ontbrekende puzzelstukje" in de kwantumcomputerarchitectuur dat de controle over de miljoenen qubits die nodig zijn voor buitengewoon complexe berekeningen mogelijk zou moeten maken.

Dr. Jarryd Pla, een faculteitslid van UNSW's School of Electrical Engineering and Telecommunications zegt dat zijn onderzoeksteam het probleem wilde oplossen dat de kwantumcomputerwetenschappers decennialang dwarszat - hoe niet slechts een paar maar miljoenen qubits te controleren zonder waardevolle ruimte in beslag te nemen met meer bedrading, die meer elektriciteit verbruikt en meer warmte opwekt.

"Tot nu toe, het regelen van elektronenspinqubits was afhankelijk van het leveren van magnetische microgolfvelden door een stroom door een draad direct naast de qubit te voeren, " zegt Dr. Pla.

"Dit stelt een aantal echte uitdagingen als we willen opschalen naar de miljoenen qubits die een kwantumcomputer nodig heeft om wereldwijd belangrijke problemen op te lossen, zoals het ontwerp van nieuwe vaccins.

"Eerst, de magnetische velden nemen heel snel af met de afstand, dus we kunnen alleen die qubits besturen die zich het dichtst bij de draad bevinden. Dat betekent dat we steeds meer draden zouden moeten toevoegen naarmate we meer en meer qubits binnenbrachten, wat veel onroerend goed op de chip zou kosten."

En aangezien de chip moet werken bij ijskoude temperaturen, onder -270°C, Dr. Pla zegt dat het introduceren van meer draden veel te veel warmte in de chip zou genereren, interfereren met de betrouwbaarheid van de qubits.

"Dus we komen terug op het feit dat we slechts een paar qubits kunnen besturen met deze draadtechniek, " zegt Dr. Pla.

Gloeilamp moment

De oplossing voor dit probleem was een volledige heruitvinding van de siliciumchipstructuur.

In plaats van duizenden besturingsdraden op dezelfde siliciumchip ter grootte van een miniatuur te hebben die ook miljoenen qubits moet bevatten, het team keek naar de haalbaarheid van het genereren van een magnetisch veld van boven de chip dat alle qubits tegelijkertijd kan manipuleren.

Dit idee om alle qubits tegelijkertijd te besturen, werd voor het eerst geponeerd door kwantumcomputerwetenschappers in de jaren negentig, maar tot nu toe, niemand had een praktische manier bedacht om dit te doen, tot nu.

"Eerst verwijderden we de draad naast de qubits en bedachten toen een nieuwe manier om magnetische controlevelden met microgolffrequentie over het hele systeem te leveren. Dus in principe, we zouden controlevelden kunnen leveren tot vier miljoen qubits, " zegt dr. Pla.

Dr. Pla en het team introduceerden een nieuwe component direct boven de siliciumchip - een kristalprisma dat een diëlektrische resonator wordt genoemd. Wanneer microgolven in de resonator worden gericht, het focust de golflengte van de microgolven tot een veel kleiner formaat.

"De diëlektrische resonator krimpt de golflengte tot onder een millimeter, dus we hebben nu een zeer efficiënte omzetting van microgolfvermogen in het magnetische veld dat de spins van alle qubits regelt.

"Er zijn hier twee belangrijke innovaties. De eerste is dat we niet veel kracht hoeven te zetten om een ​​sterk rijveld voor de qubits te krijgen, wat cruciaal betekent dat we niet veel warmte genereren. De tweede is dat het veld erg uniform is over de chip, zodat miljoenen qubits allemaal hetzelfde niveau van controle ervaren."

Quantum team-up

Hoewel Dr. Pla en zijn team de prototype-resonatortechnologie hadden ontwikkeld, ze hadden niet de silicium qubits om het op te testen. Dus sprak hij met zijn technische collega bij UNSW, Scientia-professor Andrew Dzurak, wiens team het afgelopen decennium de eerste en meest nauwkeurige kwantumlogica had aangetoond met dezelfde siliciumproductietechnologie die werd gebruikt om conventionele computerchips te maken.

"Ik was helemaal weggeblazen toen Jarryd naar me toe kwam met zijn nieuwe idee, " Prof. Dzurak zegt, "en we zijn meteen aan de slag gegaan om te kijken hoe we het konden integreren met de qubit-chips die mijn team heeft ontwikkeld.

"We hebben twee van onze beste promovendi op het project gezet, Ensar Vahapoglu van mijn team, en James Slack-Smith van Jarryd's.

"We waren dolblij toen het experiment succesvol bleek te zijn. Dit probleem van hoe miljoenen qubits te controleren, baarde me al een lange tijd zorgen, omdat het een grote wegversperring was voor het bouwen van een volledige kwantumcomputer."

Ooit alleen van gedroomd in de jaren 80, kwantumcomputers die duizenden qubits gebruiken om problemen van commercieel belang op te lossen, zijn misschien minder dan een decennium verwijderd. Verder dan dat, Er wordt van ze verwacht dat ze nieuwe vuurkracht zullen brengen bij het oplossen van wereldwijde uitdagingen en het ontwikkelen van nieuwe technologieën vanwege hun vermogen om buitengewoon complexe systemen te modelleren.

Klimaatverandering, medicijn- en vaccinontwerp, code-decodering en kunstmatige intelligentie kunnen allemaal profiteren van kwantumcomputertechnologie.

Vooruit kijken

Volgende, het team is van plan deze nieuwe technologie te gebruiken om het ontwerp van silicium-quantumprocessors op korte termijn te vereenvoudigen.

"Het verwijderen van de on-chip besturingsdraad maakt ruimte vrij voor extra qubits en alle andere elektronica die nodig is om een ​​kwantumprocessor te bouwen. Het maakt de taak om naar de volgende stap te gaan om apparaten met enkele tientallen qubits te produceren veel eenvoudiger, " zegt prof. Dzurak.

"Hoewel er technische uitdagingen zijn die moeten worden opgelost voordat processors met een miljoen qubits kunnen worden gemaakt, we zijn opgewonden door het feit dat we nu een manier hebben om ze te beheersen, " zegt dr. Pla.