Flip-flop qubits:Radikalt nyt kvanteberegningsdesign opfundet

Ingeniører ved Australiens University of New South Wales har opfundet en radikal ny arkitektur til kvanteberegning, baseret på nye 'flip-flop qubits', der lover at gøre den store produktion af kvantechips dramatisk billigere - og lettere - end man troede var muligt.

Det nye chipdesign, detaljeret i journalen Naturkommunikation , giver mulighed for en siliciumkvanteprocessor, der kan skaleres op uden den præcise placering af atomer, der kræves i andre tilgange. Vigtigere, det gør det muligt at placere kvantebit (eller 'qubits') - den grundlæggende informationsenhed i en kvantecomputer - for at placere hundredvis af nanometer fra hinanden og stadig forblive koblet.

Designet blev udtænkt af et team ledet af Andrea Morello, Programchef i UNSW-baseret ARC Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) i Sydney, hvem sagde, at fremstilling af det nye design let skulle være inden for rækkevidde af nutidens teknologi.

Hovedforfatter Guilherme Tosi, forsker ved CQC2T, udviklede det banebrydende koncept sammen med Morello og medforfattere Fahd Mohiyaddin, Vivien Schmitt og Stefanie Tenberg fra CQC2T, med samarbejdspartnere Rajib Rahman og Gerhard Klimeck fra Purdue University i USA.

"Det er et strålende design, og ligesom mange sådanne konceptuelle spring, det er fantastisk, at ingen havde tænkt på det før, sagde Morello.

"Det, Guilherme og teamet har opfundet, er en ny måde at definere en 'spin qubit', der bruger både elektronen og atomkernen. Afgørende, denne nye qubit kan styres ved hjælp af elektriske signaler, i stedet for magnetiske. Elektriske signaler er betydeligt lettere at distribuere og lokalisere inden for en elektronisk chip. "

Tosi sagde, at designet undgår en udfordring, som alle spin-baserede silicium-qubits forventedes at stå over for, da hold begynder at bygge større og større arrays af qubits:behovet for at placere dem i en afstand på kun 10-20 nanometer, eller bare 50 atomer fra hinanden.

"Hvis de er for tæt på, eller for langt fra hinanden, 'sammenfiltringen' mellem kvantebit - hvilket er det, der gør kvantecomputere så specielle - forekommer ikke, "Sagde Tosi.

Forskere ved UNSW leder allerede verden i at lave spin -qubits i denne skala, sagde Morello. "Men hvis vi vil lave en række tusinder eller millioner af qubits så tæt på hinanden, det betyder, at alle kontrollinjer, kontrolelektronikken og aflæsningsenhederne skal også fremstilles i den nanometriske skala, og med den tonehøjde og den densitet af elektroder. Dette nye koncept tyder på en anden vej. "

I den anden ende af spektret er superledende kredsløb - forfulgt f.eks. Af IBM og Google - og ionfælder. Disse systemer er store og lettere at fremstille, og fører i øjeblikket vejen i antallet af qubits, der kan betjenes. Imidlertid, på grund af deres større dimensioner, på sigt kan de stå over for udfordringer, når de forsøger at samle og betjene millioner af qubits, som krævet af de mest nyttige kvantealgoritmer.

"Vores nye siliciumbaserede tilgang sidder lige ved det søde sted, "sagde Morello, professor i kvanteteknik ved UNSW. "Det er lettere at fremstille end enheder i atomskala, men giver os stadig mulighed for at placere en million qubits på en kvadratmillimeter. "

I single-atom qubit brugt af Morellos team, og hvilket Tosis nye design gælder, en siliciumchip er dækket med et lag isolerende siliciumoxid, ovenpå hviler et mønster af metalliske elektroder, der fungerer ved temperaturer nær absolut nul og i nærværelse af et meget stærkt magnetfelt.

I kernen er et fosforatom, hvorfra Morellos team tidligere har bygget to funktionelle qubits ved hjælp af en elektron og atomkernen. Disse qubits, taget individuelt, har vist sammenhængstider i verdensrekord.

Tosis konceptuelle gennembrud er oprettelsen af ​​en helt ny type qubit, ved hjælp af både kernen og elektronen. I denne tilgang, en qubit '0' -tilstand defineres, når elektronens spin er nede, og nuklusspinnet er oppe, mens '1' -tilstanden er, når elektron -spin er oppe, og atomspinnet er nede.

"Vi kalder det" flip-flop "qubit, "sagde Tosi." For at betjene denne qubit, du skal trække elektronen lidt væk fra kernen, ved hjælp af elektroderne øverst. Ved at gøre det, du opretter også en elektrisk dipol. "

"Dette er det afgørende punkt, "tilføjer Morello." Disse elektriske dipoler interagerer med hinanden over temmelig store afstande, en god brøkdel af en mikron, eller 1, 000 nanometer.

"Det betyder, at vi nu kan placere single-atom qubits meget længere fra hinanden end tidligere antaget muligt, "fortsatte han." Så der er masser af plads til at sprede de klassiske nøglekomponenter såsom sammenkoblinger, styreelektroder og aflæsningsenheder, samtidig med at kvantebitens præcise atomlignende natur bevares. "

Morello kaldte Tosis koncept lige så vigtigt som Bruce Kane sædvanlige 1998 papir i Natur . Kane, derefter en senior research associate hos UNSW, ramt på en ny arkitektur, der kunne gøre en siliciumbaseret kvantecomputer til virkelighed - hvilket udløser Australiens race om at bygge en kvantecomputer.

"Ligesom Kane's papir, dette er en teori, et forslag - qubit mangler endnu at blive bygget, "sagde Morello." Vi har nogle foreløbige eksperimentelle data, der tyder på, at det er helt muligt, så vi arbejder på at demonstrere dette fuldt ud. Men jeg synes, at dette er lige så visionært som Kanes originale papir. "

At bygge en kvantecomputer er blevet kaldt 'rumløbet i det 21. århundrede' - en vanskelig og ambitiøs udfordring med potentiale til at levere revolutionerende værktøjer til at tackle ellers umulige beregninger, med en overflod af nyttige applikationer inden for sundhedsvæsenet, forsvar, finansiere, kemi og materialeudvikling, software fejlfinding, luftfart og transport. Dens hastighed og kraft ligger i, at kvantesystemer kan være vært for flere 'superpositioner' af forskellige indledende tilstande, og i den uhyggelige "sammenfiltring", der kun forekommer på kvante -niveau de grundlæggende partikler.

"Det vil kræve stor teknik at bringe kvantecomputing til kommerciel virkelighed, og det arbejde, vi ser fra dette ekstraordinære team, sætter Australien i førersædet, "sagde Mark Hoffman, UNSWs dekan for teknik. "Det er et godt eksempel på, hvordan UNSW, ligesom mange af verdens førende forskningsuniversiteter, er i dag kernen i et sofistikeret globalt videnssystem, der former vores fremtid. "

UNSW -teamet har indgået en aftale på 83 millioner dollar mellem UNSW, telegigant Telstra, Australiens Commonwealth Bank og regeringerne i Australien og New South Wales skal udvikle, i 2022, en 10 -qubit prototype silicium kvanteintegreret kredsløb - det første trin i opbygningen af ​​verdens første kvantecomputer i silicium.

I august, partnerne lancerede Silicon Quantum Computing Pty Ltd, Australiens første kvantecomputeringsvirksomhed, at fremme udviklingen og kommercialiseringen af ​​teamets unikke teknologier. NSW -regeringen lovede 8,7 millioner dollar, UNSW A $ 25 millioner, Commonwealth Bank A $ 14 millioner, Telstra A $ 10 millioner og forbundsregeringen A $ 25 millioner.