Tests viser, at integrerede kvantechipoperationer er mulige

Kvantecomputere, der er i stand til at løse komplekse problemer, som lægemiddeldesign eller maskinlæring, vil kræve millioner af kvantebits - eller qubits - forbundet på en integreret måde og designet til at rette fejl, der uundgåeligt opstår i skrøbelige kvantesystemer.

Nu, et australsk forskerhold har eksperimentelt indset en afgørende kombination af disse egenskaber på en siliciumchip, bringer drømmen om en universel kvantecomputer tættere på virkeligheden.

De har demonstreret en integreret silicium qubit platform, der kombinerer både enkelt-spin adresserbarhed – evnen til at 'skrive' information på en enkelt spin qubit uden at forstyrre naboerne – og en qubit 'udlæsning' proces, der vil være afgørende for kvantefejlkorrektion .

I øvrigt, deres nye integrerede design kan fremstilles ved hjælp af veletableret teknologi, der anvendes i den eksisterende computerindustri.

Holdet ledes af Scientia-professor Andrew Dzurak fra University of New South Wales i Sydney, en programleder ved Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) og direktør for NSW-knuden i Australian National Fabrication Facility.

Sidste år, Dzurak og kolleger offentliggjorde et design til en ny chiparkitektur, der kunne gøre det muligt at udføre kvanteberegninger ved hjælp af silicium CMOS (komplementære metal-oxid-halvleder) komponenter - grundlaget for alle moderne computerchips.

I deres nye undersøgelse, offentliggjort i dag i tidsskriftet Naturkommunikation , holdet kombinerer to grundlæggende kvanteteknikker for første gang, bekræfter løftet om deres tilgang.

Dzuraks team havde også tidligere vist, at en integreret silicium qubit-platform kan fungere med enkelt-spin adresserbarhed - evnen til at rotere et enkelt spin uden at forstyrre sine naboer.

De har nu vist, at de kan kombinere dette med en speciel type kvanteudlæsningsproces kendt som Pauli spin blokade, et nøglekrav til kvantefejlkorrigerende koder, som vil være nødvendige for at sikre nøjagtighed i store spin-baserede kvantecomputere. Denne nye kombination af qubit-udlæsning og kontrolteknikker er et centralt træk ved deres kvantechipdesign.

"Vi har demonstreret evnen til at udføre Pauli spin udlæsning i vores silicium qubit enhed, men, for første gang, vi har også kombineret det med spinresonans for at styre spindet, " siger Dzurak.

"Dette er en vigtig milepæl for os på vejen til at udføre kvantefejlkorrektion med spin-qubits, hvilket vil være afgørende for enhver universel kvantecomputer."

"Kvantefejlkorrektion er et nøglekrav til at skabe nyttig kvanteberegning i stor skala, fordi alle qubits er skrøbelige, og du skal rette for fejl, når de dukker op, " siger hovedforfatter, Michael Fogarty, der udførte forsøgene som led i sin ph.d. forskning med professor Dzurak ved UNSW.

"Men dette skaber betydelig overhead i antallet af fysiske qubits, du har brug for for at få systemet til at fungere, " bemærker Fogarty.

Dzurak siger, "Ved at bruge silicium CMOS-teknologi har vi den ideelle platform til at skalere til de millioner af qubits, vi har brug for, og vores seneste resultater giver os værktøjerne til at opnå spin qubit fejlkorrektion i den nærmeste fremtid."

"Det er endnu en bekræftelse på, at vi er på rette vej. Og det viser også, at den arkitektur, vi har udviklet på UNSW, har, indtil nu, vist ingen vejspærringer for udviklingen af ​​en fungerende kvantecomputerchip."

"Og, hvad mere er, en, der kan fremstilles ved hjælp af veletablerede industriprocesser og komponenter."

CQC2Ts unikke tilgang ved hjælp af silicium

At arbejde i silicium er vigtigt, ikke kun fordi elementet er billigt og rigeligt, men fordi det har været kernen i den globale computerindustri i næsten 60 år. Siliciums egenskaber er velkendte, og chips indeholdende milliarder af konventionelle transistorer fremstilles rutinemæssigt i store produktionsanlæg.

Tre år siden, Dzuraks hold offentliggjort i tidsskriftet Natur den første demonstration af kvantelogiske beregninger i en rigtig siliciumenhed med skabelsen af ​​en to-qubit logisk gate - den centrale byggesten i en kvantecomputer.

"Det var de første små skridt, de første demonstrationer af, hvordan man forvandler dette radikale kvanteberegningskoncept til en praktisk enhed ved hjælp af komponenter, der understøtter al moderne databehandling, " siger professor Mark Hoffman, UNSW's dekan for ingeniørvidenskab.

"Vores team har nu en plan for at opskalere det dramatisk.

"Vi har testet elementer af dette design i laboratoriet, med meget positive resultater. Vi skal bare fortsætte med at bygge videre på det - hvilket stadig er en helvedes udfordring, men grunden er der, og det er meget opmuntrende.

"Det vil stadig kræve stor ingeniørkunst at bringe kvantecomputere til den kommercielle virkelighed, men det er klart, at det arbejde, vi ser fra dette ekstraordinære team på CQC2T, sætter Australien i førersædet, " han tilføjede.

Andre forfattere af den nye Naturkommunikation papir er UNSW-forskere Kok Wai Chan, Bas Hensen, Wister Huang, Tuomo Tanttu, Henry Yang, Arne Laucht, Fay Hudson og Andrea Morello, samt Menno Veldhorst fra QuTech og TU Delft, Thaddeus Ladd fra HRL Laboratories og Kohei Itoh fra Japans Keio University.

Kommercialisering af CQC2Ts intellektuelle ejendomsret

I 2017 et konsortium af australske regeringer, industri og universiteter etablerede Australiens første kvantecomputervirksomhed til at kommercialisere CQC2Ts verdensførende intellektuelle ejendomsret.

opererer fra nye laboratorier på UNSW, Silicon Quantum Computing Pty Ltd (SQC) har som mål at producere en 10-qubit demonstrationsenhed i silicium i 2022, som forløberen for at skabe en siliciumbaseret kvantecomputer.

Dzuraks og hans teams arbejde vil være en del af SQC, der realiserer denne ambition. UNSW videnskabsmænd og ingeniører på CQC2T udvikler parallelle patenterede tilgange ved hjælp af enkelt atom og kvanteprikker qubits.

I maj 2018, Australiens daværende premierminister, Malcolm Turnbull, og Frankrigs præsident, Emmanuel Macron, annoncerede underskrivelsen af ​​et Memorandum of Understanding (MoU), der omhandler et nyt samarbejde mellem SQC og den verdensførende franske forsknings- og udviklingsorganisation, Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA).

MoU skitserede planer om at danne et joint venture inden for silicium-CMOS kvantecomputerteknologi for at accelerere og fokusere teknologiudvikling, samt at fange kommercialiseringsmuligheder - at samle franske og australske bestræbelser på at udvikle en kvantecomputer.

Det foreslåede australsk-franske joint venture ville samle Dzuraks team, placeret på UNSW, med et team ledet af Dr. Maud Vinet fra CEA, som er eksperter i avanceret CMOS-produktionsteknologi, og som også for nylig har demonstreret en silicium-qubit fremstillet ved hjælp af deres prototypeanlæg i industriel skala i Grenoble.

Det anslås, at industrier, der udgør cirka 40 % af Australiens nuværende økonomi, kan blive betydeligt påvirket af kvanteberegning.

Mulige applikationer inkluderer softwaredesign, maskinelæring, planlægning og logistisk planlægning, finansiel analyse, aktiemarkedsmodellering, software- og hardwareverifikation, klimamodellering, hurtigt design og test af lægemidler, og tidlig sygdomsdetektion og forebyggelse.