Wetenschap
Nieuwe superzuivere siliciumchip opent de weg naar krachtige kwantumcomputers
Onderzoekers van de universiteiten van Melbourne en Manchester hebben een baanbrekende techniek uitgevonden voor de productie van hooggezuiverd silicium, die krachtige kwantumcomputers een grote stap dichterbij brengt.
De nieuwe techniek om ultrapuur silicium te maken maakt het tot het perfecte materiaal om kwantumcomputers op grote schaal en met hoge nauwkeurigheid te maken, zeggen de onderzoekers.
Co-promotor van het project, professor David Jamieson, van de Universiteit van Melbourne, zei dat de innovatie, gepubliceerd in Communications Materials , maakt gebruik van qubits van fosforatomen die zijn geïmplanteerd in kristallen van puur stabiel silicium en zou een kritische barrière voor kwantumcomputers kunnen overwinnen door de duur van de notoir kwetsbare kwantumcoherentie te verlengen.
"Kwetsbare kwantumcoherentie betekent dat computerfouten zich snel opbouwen. Met de robuuste coherentie die onze nieuwe techniek biedt, kunnen kwantumcomputers in uren of minuten een aantal problemen oplossen waar conventionele of 'klassieke' computers (zelfs supercomputers) eeuwen over zouden doen", aldus professor Jamieson.
Kwantumbits of qubits – de bouwstenen van kwantumcomputers – zijn gevoelig voor kleine veranderingen in hun omgeving, waaronder temperatuurschommelingen. Zelfs wanneer ze worden gebruikt in stille koelkasten nabij het absolute nulpunt (minus 273 graden Celsius), kunnen de huidige kwantumcomputers slechts een kleine fractie van een seconde een foutloze coherentie behouden.
Professor Richard Curry, co-promotor van de Universiteit van Manchester, zei dat ultrapuur silicium de constructie van krachtige qubit-apparaten mogelijk maakte – een cruciaal onderdeel dat nodig is om de weg vrij te maken voor schaalbare kwantumcomputers.
"Wat we hebben kunnen doen is effectief een kritische 'steen' creëren die nodig is om een op silicium gebaseerde kwantumcomputer te bouwen. Het is een cruciale stap op weg naar het maken van een technologie die het potentieel heeft om transformatief te zijn voor de mensheid", aldus professor Curry.
Hoofdauteur Ravi Acharya, een gezamenlijke Cookson Scholar van de Universiteit van Manchester en de Universiteit van Melbourne, zei dat het grote voordeel van quantum computing met siliciumchips is dat er dezelfde essentiële technieken worden gebruikt als de chips die in hedendaagse computers worden gebruikt.
"Elektronische chips die momenteel in een alledaagse computer zitten, bestaan uit miljarden transistors - deze kunnen ook worden gebruikt om qubits te maken voor op silicium gebaseerde kwantumapparaten. Het vermogen om siliciumqubits van hoge kwaliteit te maken is tot nu toe gedeeltelijk beperkt door de zuiverheid van het silicium Het gebruikte uitgangsmateriaal is de baanbrekende zuiverheid die we hier laten zien."
Professor Jamieson zei dat de nieuwe computerchips van sterk gezuiverd silicium de qubits huisvesten en beschermen, zodat ze de kwantumcoherentie veel langer kunnen behouden, waardoor complexe berekeningen mogelijk zijn met een sterk verminderde behoefte aan foutcorrectie.
"Onze techniek opent de weg naar betrouwbare kwantumcomputers die stapsgewijze veranderingen in de hele samenleving beloven, inclusief op het gebied van kunstmatige intelligentie, veilige gegevens en communicatie, het ontwerpen van vaccins en medicijnen, en energieverbruik, logistiek en productie", zei hij.
Silicium, gemaakt van strandzand, is het belangrijkste materiaal voor de hedendaagse informatietechnologie-industrie omdat het een overvloedige en veelzijdige halfgeleider is:het kan fungeren als geleider of isolator van elektrische stroom, afhankelijk van welke andere chemische elementen eraan worden toegevoegd.
"Anderen experimenteren met alternatieven, maar wij geloven dat silicium de belangrijkste kandidaat is voor kwantumcomputerchips die de blijvende coherentie mogelijk zullen maken die nodig is voor betrouwbare kwantumberekeningen", aldus professor Jamieson.
“Het probleem is dat hoewel natuurlijk voorkomend silicium grotendeels de gewenste isotoop silicium-28 is, er ook ongeveer 4,5 procent silicium-29 is. Silicium-29 heeft een extra neutron in de kern van elk atoom dat zich gedraagt als een kleine schurkenmagneet, waardoor de kwantumcoherentie wordt vernietigd en waardoor computerfouten ontstaan", zei hij.
De onderzoekers richtten een gefocusseerde, snelle straal puur silicium-28 op een siliciumchip, zodat het silicium-28 geleidelijk de silicium-29-atomen in de chip verving, waardoor het silicium-29-gehalte werd teruggebracht van 4,5% naar twee delen per miljoen (0,0002 procent). ).
"Het goede nieuws is dat we, om silicium tot dit niveau te zuiveren, nu een standaardmachine kunnen gebruiken - een ionenimplantator - die je in elk halfgeleiderfabricagelaboratorium zou vinden, afgestemd op een specifieke configuratie die we hebben ontworpen", aldus professor Jamieson. P>
In eerder gepubliceerd onderzoek met het ARC Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology heeft de Universiteit van Melbourne het wereldrecord voor single-qubit-coherentie van 30 seconden gevestigd (en is dat nog steeds) met behulp van minder gezuiverd silicium. Dertig seconden is voldoende tijd om foutloze, complexe kwantumberekeningen uit te voeren.
Professor Jamieson zei dat de grootste bestaande kwantumcomputers meer dan 1.000 qubits hadden, maar dat fouten binnen milliseconden optraden als gevolg van verloren coherentie.
"Nu we extreem zuiver silicium-28 kunnen produceren, zal onze volgende stap zijn om aan te tonen dat we de kwantumcoherentie voor veel qubits tegelijk kunnen handhaven. Een betrouwbare kwantumcomputer met slechts 30 qubits zou voor sommige toepassingen de kracht van de huidige supercomputers overtreffen." zei hij.
Een rapport uit 2020 van het Australische CSIRO schat dat kwantumcomputing in Australië het potentieel heeft om tegen 2040 10.000 banen en 2,5 miljard dollar aan jaarlijkse inkomsten te creëren.
"Ons onderzoek brengt ons aanzienlijk dichter bij het realiseren van dit potentieel", aldus professor Jamieson.