Kvantecomputere kunne komme hurtigere, hvis vi bygger dem med traditionel siliciumteknologi

Kvantecomputere har potentialet til at revolutionere den måde, vi løser hårde computerproblemer på, fra at skabe avanceret kunstig intelligens til at simulere kemiske reaktioner for at skabe den næste generation af materialer eller lægemidler. Men faktisk er det meget svært at bygge sådanne maskiner, fordi de involverer eksotiske komponenter og skal opbevares i meget kontrollerede miljøer. Og dem, vi har indtil videre, kan endnu ikke udkonkurrere traditionelle maskiner.

Men med et team af forskere fra Storbritannien og Frankrig, vi har vist, at det meget vel kan lade sig gøre at bygge en kvantecomputer af konventionelle siliciumbaserede elektroniske komponenter. Dette kunne bane vejen for storstilet fremstilling af kvantecomputere meget hurtigere, end det ellers ville være muligt.

Den teoretiske overlegne kraft af kvantecomputere stammer fra lovene i nanoskala eller "kvante" fysik. I modsætning til konventionelle computere, som gemmer information i binære bits, der enten kan være "0" eller "1, "kvantecomputere bruger kvantebits (eller qubits), der kan være i en kombination af" 0 "og" 1 "på samme tid. Dette skyldes, at kvantefysik tillader partikler at være i forskellige tilstande eller steder samtidigt.

Kvantecomputerudvikling er stadig i sin begyndelse, og flere hardwareteknologier er tilgængelige, uden at en eneste dominerer endnu. De mest avancerede prototyper er i øjeblikket lavet af enten et par dusin ioner fanget i et vakuumkammer eller superledende kredsløb, der holdes ved næsten absolut nul temperatur.

Den afgørende udfordring er at skalere disse små demonstratorer op til store indbyrdes forbundne qubit-systemer, der vil have nok computerkraft til at udføre nyttige opgaver hurtigere end klassiske supercomputere. Til denne ende, en anden teknologi kan i sidste ende vise sig at være mere egnet. Påfaldende nok, dette kunne være den samme teknologi, som i dag muliggør vores digitale samfund, silicium transistoren, den grundlæggende informationsenhed, der findes i alle mikroprocessorer og hukommelseschips.

Der er to hovedårsager til, at det at lave en kvantecomputer af silicium har en aura af stor interesse omkring sig. Først, Moore's Law-ledede ubarmhjertige miniaturisering af siliciumenheder har muliggjort fremstillingen af ​​transistorer, der kun er nogle få snesevis af atomer brede. Dette er den skala, hvormed lovene i kvantefysikken begynder at gælde.

Dette repræsenterer en fysisk grænse, der har bragt enhver yderligere miniaturisering af siliciumtransistorer til ophør. Men det har også fremmet nye anvendelser af siliciumteknologi, kendt som More-than-Moore elektronik. Den vigtigste blandt disse nye retninger er muligheden for at indkode en kvantebit information i hver siliciumtransistor, og derefter bruge dem til at bygge kvantecomputere i stor skala.

Ved at genbruge den samme teknologi, som mikrochipindustrien har håndteret i de sidste 60 år, vi kunne også drage fordel af tidligere infrastrukturinvesteringer på flere milliarder dollars og reducere omkostningerne. Det betyder, at al den smarte konstruktion og forarbejdning, der gik ind i udviklingen af ​​moderne mikroelektronik, kunne tilpasses til at bygge stadig stærkere kvanteprocessorer.

Silicium kvantechip

De eksperimenter, der for nylig blev udført af vores samarbejdende teams ved Cambridge University, Hitachi R&D, University College London og CEA-LETI i Frankrig, og udgivet i Naturelektronik tyder på, at dette ægteskab mellem konventionel og kvanteelektronik faktisk kan fejres. Vi tog tekniske løsninger fra konventionelle siliciumkredsløb og anvendte dem til at forbinde forskellige kvanteenheder på en chip. Dette har bragt den praktiske realisering af kvanteprocessorer et skridt nærmere.

Vi har udviklet et kredsløb, der fungerer ved næsten-absolut-nul temperatur og anvender alle kommercielle transistorer. Nogle af disse er så små, at de kan bruges som qubits, mens andre er lidt større og kan bruges til at oprette forbindelse til forskellige qubits. Denne arkitektur ligner bemærkelsesværdigt den, der bruges til RAM (Random Access Memory) i nutidens bærbare computere og smartphones.

I det sidste halve århundrede eller deromkring, almindelige computere udviklede sig fra skabe i rumstørrelse fulde af vakuumrør til nutidens håndholdte mikrochip-baserede enheder. Der er stadig lang vej igen, før en fuldgyldig kvantecomputer bliver tilgængelig, men historien kan sagtens gentage sig. De nuværende fremskridt inden for forskning tyder på, at indledende kvanteprocessorer kan realiseres med noget eksotisk teknologi først. Men nu hvor vi har lært, at silicium kan bruges til effektivt at forbinde qubits, kvantefremtiden kunne være lavet af silicium.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.