Komplet design af en silicium -kvantecomputerchip afsløret

Forskningsteam over hele verden undersøger forskellige måder at designe en fungerende computerchip, der kan integrere kvanteinteraktioner. Nu, UNSW -ingeniører mener, at de har revnet problemet, genopfinde siliciummikroprocessorerne, vi kender til at skabe et komplet design til en kvantecomputerchip, der kan fremstilles ved hjælp af for det meste standardindustriprocesser og komponenter.

Det nye chipdesign, offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , beskriver en ny arkitektur, der gør det muligt at udføre kvanteberegninger ved hjælp af eksisterende halvlederkomponenter, kendt som CMOS (komplementær metaloxid-halvleder)-grundlaget for alle moderne chips.

Det blev udtænkt af Andrew Dzurak, direktør for Australian National Fabrication Facility ved University of New South Wales (UNSW), og Dr. Menno Veldhorst, hovedforfatter af papiret, der var stipendiat ved UNSW, da det konceptuelle arbejde blev udført.

"Vi tænker ofte på at lande på månen som menneskehedens største teknologiske vidunder, "sagde Dzurak, som også er programleder ved Australiens berømte Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T). "Men at skabe en mikroprocessorchip med en milliard betjeningsenheder integreret sammen til at fungere som en symfoni - som du kan have med i lommen! - er en forbløffende teknisk præstation, og en, der revolutionerede det moderne liv.

"Med kvanteberegning, vi er på nippet til endnu et teknologisk spring, der kan være lige så dybt og transformerende. Men et komplet ingeniørdesign for at realisere dette på en enkelt chip har været undvigende. Jeg tror, ​​hvad vi har udviklet hos UNSW nu gør det muligt. Og vigtigst af alt, det kan laves i et moderne halvlederfremstillingsanlæg, " han tilføjede.

Veldhorst, nu en teamleder i kvanteteknologi på QuTech - et samarbejde mellem Delft University of Technology og TNO, den nederlandske organisation for anvendt videnskabelig forskning - sagde, at kraften i det nye design er, at for første gang, det kortlægger en tænkelig ingeniørvej til at skabe millioner af kvantebits, eller qubits.

"Bemærkelsesværdige som de er, nutidens computerchips kan ikke udnytte de kvanteeffekter, der er nødvendige for at løse de virkelig vigtige problemer, som kvantecomputere vil. For at løse problemer, der løser store globale udfordringer - som klimaændringer eller komplekse sygdomme som kræft - er det generelt accepteret, at vi får brug for millioner af qubits, der arbejder sammen. At gøre det, vi bliver nødt til at pakke qubits sammen og integrere dem, som vi gør med moderne mikroprocessorchips. Det er, hvad dette nye design har til formål at opnå.

"Vores design indeholder konventionelle siliciumtransistor-switche til at 'tænde' operationer mellem qubits i et stort todimensionalt array, ved hjælp af en gitterbaseret 'word' og 'bit' select protokol svarende til den, der bruges til at vælge bits i en konventionel computerhukommelseschip, "tilføjede han." Ved at vælge elektroder over en qubit, vi kan styre en qubits spin, som gemmer den kvante binære kode for en 0 eller 1. Og ved at vælge elektroder mellem qubitterne, to-qubit logiske interaktioner, eller beregninger, kan udføres mellem qubits. "

En kvantecomputer udvider eksponentielt ordforrådet for binær kode, der bruges i moderne computere ved hjælp af to uhyggelige principper for kvantefysik - nemlig, 'sammenfiltring' og 'overlejring'. Qubits kan gemme en 0, en 1, eller en vilkårlig kombination af 0 og 1 på samme tid. Og ligesom en kvantecomputer kan gemme flere værdier på én gang, så det kan behandle dem samtidigt, laver flere operationer på én gang.

Dette ville gøre det muligt for en universel kvantecomputer at være millioner af gange hurtigere end nogen konventionel computer, når en række vigtige problemer løses.

Men for at løse komplekse problemer, en nyttig universel kvantecomputer har brug for et stort antal qubits, muligvis millioner, fordi alle typer qubits, vi kender, er skrøbelige, og selv små fejl kan hurtigt forstærkes til forkerte svar.

"Så vi skal bruge fejlkorrigerende koder, der anvender flere qubits til at gemme et enkelt stykke data, "sagde Dzurak." Vores chipplan indeholder en ny type fejlkorrigerende kode designet specielt til spin qubits, og involverer en sofistikeret driftsprotokol på tværs af millioner af qubits. Det er det første forsøg på at integrere alle de konventionelle siliciumkredsløb i en enkelt chip, der er nødvendige for at kontrollere og læse de millioner af qubits, der er nødvendige for kvanteberegning. "

"Vi forventer, at der stadig vil være behov for ændringer af dette design, når vi går frem mod fremstilling, men alle de nøglekomponenter, der er nødvendige for kvanteberegning, er her i en chip. Og det er det, der skal til, hvis vi skal gøre kvantecomputere til en arbejdshest til beregninger, der ligger langt ud over nutidens computere, "Tilføjede Dzurak." Det viser, hvordan man integrerer de millioner af qubits, der er nødvendige for at realisere det sande løfte om kvanteberegning. "

At bygge en sådan universel kvantecomputer er blevet kaldt 'rumløbet i det 21. århundrede'. For en række beregninger, de vil være meget hurtigere end eksisterende computere, og for nogle udfordrende problemer kunne de finde løsninger på få dage, måske endda timer, når nutidens bedste supercomputere ville tage millioner af år.

Der er mindst fem store kvanteberegningstilgange, der undersøges verden over:silicium spin qubits, ionfælder, superledende sløjfer, ledige stillinger i diamanter og topologiske qubits; UNSWs design er baseret på silicium -spin -qubits. Hovedproblemet med alle disse fremgangsmåder er, at der ikke er nogen klar vej til at skalere antallet af kvantebit op til de millioner, der er nødvendige, uden at computeren bliver et stort system, der kræver omfangsrigt understøttende udstyr og dyr infrastruktur.

Derfor er UNSW's nye design så spændende:at stole på dets silicium -spin -qubit -tilgang - som allerede efterligner meget af solid -state -enhederne i silicium, der er hjertet i den globale halvlederindustri på 380 milliarder dollars - viser, hvordan man svalehale -spin qubit -fejl korrektion af kode i eksisterende chipdesign, muliggøre sand universel kvanteberegning.

I modsætning til næsten alle andre større grupper andre steder, CQC2Ts kvanteberegningsindsats er obsessivt fokuseret på at skabe solid-state-enheder i silicium, hvorfra alle verdens computerchips er lavet. Og de skaber ikke bare udsmykkede designs for at vise, hvor mange qubits der kan pakkes sammen, men sigter mod at bygge qubits, der en dag let kan fremstilles - og skaleres.

"Det er lidt fejet under gulvtæppet, men for kvantecomputing i stor skala, vi får brug for millioner af qubits, "sagde Dzurak." Her, vi viser en måde, hvorpå spin qubits kan skaleres massivt. Og det er nøglen. "

Designet er et spring fremad i silicium spin qubits; det var kun to år siden, i et papir i Nature, som Dzurak og Veldhorst viste, for første gang, hvordan kvantelogikberegninger kunne udføres i en ægte silicium -enhed, med oprettelsen af ​​en to -qubit logisk gate - den centrale byggesten i en kvantecomputer.

"Det var de første babytrin, de første demonstrationer af, hvordan man kan omdanne dette radikale kvanteberegningskoncept til en praktisk enhed ved hjælp af komponenter, der understøtter al moderne computing, "sagde Mark Hoffman, UNSWs dekan for teknik. "Vores team har nu en plan for at skalere det dramatisk.

"Vi har testet elementer af dette design i laboratoriet, med meget positive resultater. Vi skal bare blive ved med at bygge videre på det - hvilket stadig er en kæmpe udfordring, men grundlaget er der, og det er meget opmuntrende. Det vil stadig kræve stor teknik at bringe kvantecomputing til kommerciel virkelighed, men klart det arbejde, vi ser fra dette ekstraordinære team på CQC2T, sætter Australien i førersædet, " han tilføjede.

Andre CQC2T -forskere involveret i designet, der blev offentliggjort i Nature Communications -papiret, var Henry Yang og Gertjan Eenink, sidstnævnte har siden tilsluttet sig Veldhorst hos QuTech.

UNSW -teamet har indgået en aftale på 83 millioner dollar mellem UNSW, Telstra, Commonwealth Bank og de australske og New South Wales regeringer til at 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 den australske regering A $ 25 millioner.