Forskningssamarbejde forfølger avanceret kvanteberegning

"Hvis dette projekt lykkes, vil det forårsage en revolution inden for databehandling."

Det er prognosen for Michael Manfra, Purdue University's Bill og Dee O'Brien Chair professor i fysik og astronomi, professor i materialeteknik og professor i elektro- og computerteknik, på et nyt langsigtet, forbedret samarbejde mellem Purdue og Microsoft Corp. om at bygge en robust og skalerbar kvantecomputer ved at producere, hvad videnskabsmænd kalder en "topologisk qubit".

Purdues præsident Mitch Daniels bemærkede, at Purdue var hjemsted for den første computervidenskabelige afdeling i USA, og siger, at dette partnerskab og Manfras arbejde placerer universitetet i spidsen for kvantecomputere.

"En dag vil kvantecomputere flytte fra laboratoriet til faktisk daglig brug, og når det sker, det vil signalere endnu en eksplosion af computerkraft som den, der er forårsaget af siliciumchippen, " siger Daniels. "Det er spændende at forestille sig Purdue i centrum af dette næste spring fremad."

I de computere, som vi i øjeblikket bruger hver dag, information er kodet i et enten/eller binært system af bit, hvad der almindeligvis opfattes som 1'ere og 0'ere. Disse computere er baseret på siliciumtransistorer, hvilken, som en lyskontakt, kan kun være i enten tændt eller slukket position.

Med kvantecomputere, information er kodet i qubits, som er kvanteenheder af information. Med en qubit, imidlertid, denne fysiske tilstand er ikke kun 0 eller 1, men kan også være en lineær kombination af 0 og 1. På grund af et mærkeligt fænomen inden for kvantemekanik kaldet "superposition, "en qubit kan være i begge tilstande på samme tid.

Denne egenskab er afgørende for kvanteberegningens potentielle kraft, giver mulighed for løsninger på problemer, der er vanskelige at løse ved hjælp af klassiske arkitekturer.

Fortalere for kvantecomputere mener, at denne aldrig før sete teknologi vil skabe en ny global "kvanteøkonomi."

Teamet, der er samlet af Microsoft, vil arbejde på en type kvantecomputer, der forventes at være særlig robust mod interferens fra omgivelserne, en situation kendt i kvanteberegning som "dekohærens". Den "skalerbare topologiske kvantecomputer" er teoretisk mere stabil og mindre udsat for fejl.

"En af udfordringerne i kvanteberegning er, at qubits interagerer med deres miljø og mister deres kvanteinformation, før beregningerne kan afsluttes, " siger Manfra. "Topologisk kvanteberegning bruger qubits, der lagrer information "ikke-lokalt", og de eksterne støjkilder har mindre effekt på qubit'en, så vi forventer, at den er mere robust."

Manfra siger, at den mest spændende udfordring forbundet med at bygge en topologisk kvantecomputer er, at Microsoft-teamet samtidig skal løse problemer inden for materialevidenskab, kondenseret stof fysik, elektroteknik og computerarkitektur.

"Det er grunden til, at Microsoft har samlet et så forskelligartet sæt af talentfulde mennesker for at tackle dette storstilede problem, " siger Manfra. "Ingen person eller gruppe kan være ekspert i alle aspekter."

Purdue og Microsoft indgik en aftale i april 2016, der udvider deres samarbejde om kvantecomputerforskning, effektivt at etablere "Station Q Purdue, " et af "Station Q" eksperimentelle forskningssteder, der arbejder tæt sammen med to "Station Q" teoristeder.

Den nye, flerårig aftale forlænger dette samarbejde, og omfatter Microsoft-medarbejdere, der er indlejret i Manfras forskningsteam hos Purdue.

Manfras gruppe på Station Q Purdue vil samarbejde med Redmond, Washington-baserede Microsoft-teammedlemmer, samt en global forsøgsgruppe etableret af Microsoft, herunder forsøgsgrupper på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet i Danmark, TU Delft i Holland, og University of Sydney, Australien. De er også koblet til teoretikere på Microsoft Station Q i Santa Barbara. Alle grupper arbejder sammen om at løse kvantecomputernes største udfordringer.

"Det spændende er, at vi laver videnskab og teknik hånd i hånd, på samme tid, " siger Manfra. "Vi er heldige at være en del af dette virkelig fantastiske globale team."

Matematiker og Fields-medaljemodtager Michael Freedman leder Microsofts Station Q i Santa Barbara, hvor han arbejder med kvanteberegning.

"Der er en anden computerplanet derude, og vi, samlet, kommer til at lande på den. Det er virkelig som de gamle dage med fysisk udforskning og meget mere interessant end at låse sig inde i en flaske og rejse gennem rummet. Vi vil finde en fantastisk uset verden, når vi har programmerbare kvantecomputere til generelle formål, " siger Freedman. "Michael Manfra og Purdue University vil være en vigtig samarbejdspartner på denne rejse. Jeg er ikke interesseret i at faktorisere tal, men løse kemi og materialevidenskabelige problemer, og mest ambitiøst maskinintelligens. Mærkeligt nok, vi har brug for stor materialevidenskab og transportfysik – Mike Manfras arbejde – for at bygge de systemer, vi vil bruge til at lave kvanteberegning og, dermed, for at indvarsle den næste æra af materialevidenskab."

Purdues rolle i projektet vil være at vokse og studere ultrarene halvledere og hybridsystemer af halvledere og superledere, der kan danne den fysiske platform, hvorpå en kvantecomputer er bygget. Manfras gruppe har ekspertise i en teknik kaldet molekylær stråleepitaksi, og denne teknik vil blive brugt til at bygge lavdimensionelle elektronsystemer, der danner grundlag for kvantebits, eller qubits.

Arbejdet på Purdue vil blive udført i Birck Nanotechnology Center i universitetets Discovery Park, samt i Institut for Fysik og Astronomi. Birck-anlægget huser multi-kammer molekylær stråle epitaksi system, hvor tre fremstillingskamre er forbundet under ultrahøjt vakuum. Den indeholder også fabrikation af renrum og nødvendige værktøjer til karakterisering af materialer. Laboratorier til lavtemperaturmåling af materialernes elektroniske egenskaber vil blive udført i Institut for Fysik og Astronomi.

Suresh Garimella, Executive Vice President for forskning og partnerskaber, og Purdues Goodson Distinguished Professor of Mechanical Engineering, siger, at værktøjerne og laboratorierne fundet i Discovery Park har gjort det muligt for Purdue at blive verdensledende på flere områder.

"Ved at kombinere disse verdensførende faciliteter med vores utroligt dygtige og vidende fakultet, såsom professor Manfra, har placeret Purdue i spidsen for forskning og udvikling af nanoteknologi, nanoelektronik, næste generation silicium transistor-baseret elektronik, og kvanteberegning. At få Purdue til at bidrage til konstruktionen af ​​verdens første kvantecomputer er en drøm, der går i opfyldelse for os, " han siger.