Hot qubits bryder en af ​​de største begrænsninger for praktiske kvantecomputere

De fleste kvantecomputere, der udvikles rundt om i verden, fungerer kun ved brøkdele af en grad over absolut nul. Det kræver køling på flere millioner dollars, og så snart du tilslutter dem til konventionelle elektroniske kredsløb, overophedes de øjeblikkeligt.

Men nu har forskere under ledelse af professor Andrew Dzurak ved UNSW Sydney taget fat på dette problem.

"Vores nye resultater åbner en vej fra eksperimentelle enheder til overkommelige kvantecomputere til virkelige virksomheder og offentlige applikationer, "siger professor Dzurak.

Forskernes proof-of-concept kvanteprocessor-enhedscelle, på en siliciumchip, fungerer ved 1,5 Kelvin — 15 gange varmere end den vigtigste konkurrerende chipbaserede teknologi, der udvikles af Google, IBM, og andre, som bruger superledende qubits.

"Det er stadig meget koldt, men er en temperatur, der kan opnås ved kun at bruge et par tusinde dollars køling, frem for de millioner af dollars, der er nødvendige for at afkøle chips til 0,1 Kelvin, "forklarer Dzurak.

"Selvom det er svært at sætte pris på at bruge vores daglige temperaturbegreber, denne stigning er ekstrem i kvanteverdenen. "

Kvantecomputere forventes at udkonkurrere konventionelle computere for en række vigtige problemer, lige fra præcisionslægemiddelfremstilling til søgealgoritmer. Designe en, der kan fremstilles og drives i virkelige omgivelser, imidlertid, er en stor teknisk udfordring.

UNSW -forskerne mener, at de har overvundet en af ​​de hårdeste forhindringer, der står i vejen for, at kvantecomputere bliver en realitet.

I et papir offentliggjort i tidsskriftet Natur i dag, Dzuraks hold, sammen med samarbejdspartnere i Canada, Finland og Japan, rapportere en proof-of-concept kvanteprocessor-enhedscelle, der, i modsætning til de fleste designs, der udforskes på verdensplan, behøver ikke at fungere ved temperaturer under en tiendedel af en Kelvin.

Dzuraks team annoncerede først deres eksperimentelle resultater via det akademiske forudskrivningsarkiv i februar sidste år. Derefter, i oktober 2019, en gruppe i Holland ledet af en tidligere postdoktoral forsker i Dzuraks gruppe, Menno Veldhorst, annoncerede et lignende resultat ved hjælp af den samme siliciumteknologi, der blev udviklet på UNSW i 2014. Bekræftelsen af ​​denne 'hot qubit' adfærd fra to grupper på modsatte sider af verden har ført til, at de to papirer blev offentliggjort 'back-to-back' i samme problem med Natur i dag.

Qubit -par er de grundlæggende enheder for kvanteberegning. Ligesom den klassiske computeranalog - bitten - karakteriserer hver qubit to tilstande, en 0 eller en 1, for at oprette en binær kode. I modsætning til lidt, imidlertid, det kan manifestere begge tilstande samtidigt, i det, der er kendt som en "superposition".

Enhedscellen, der er udviklet af Dzuraks team, består af to qubits, der er begrænset i et par kvanteprikker indlejret i silicium. Resultatet, opskaleret, kan fremstilles ved hjælp af eksisterende siliciumchip -fabrikker, og ville fungere uden behov for køling af flere millioner dollars. Det ville også være lettere at integrere med konventionelle siliciumchips, som vil være nødvendig for at styre kvanteprocessoren.

En kvantecomputer, der er i stand til at udføre de komplekse beregninger, der er nødvendige for at designe nye lægemidler, for eksempel, vil kræve millioner af qubit -par, og accepteres generelt at være mindst et årti væk. Dette behov for millioner af qubits udgør en stor udfordring for designere.

"Hvert qubit -par, der tilføjes til systemet, øger den samlede varme, der genereres, "forklarer Dzurak, "og tilføjet varme fører til fejl. Det er primært derfor, at nuværende designs skal holdes så tæt på absolut nul."

Udsigten til at vedligeholde kvantecomputere med nok qubits til at være nyttige ved temperaturer meget koldere end dybt rum er skræmmende, dyrt og presser køleteknologien til det yderste.

UNSW -teamet, imidlertid, har skabt en elegant løsning på problemet, ved at initialisere og "læse" qubit -parene ved hjælp af elektroner, der tunnellerer mellem de to kvantepunkter.

Princip-proof-eksperimenterne blev udført af Dr. Henry Yang fra UNSW-teamet, som Dzurak beskriver som en "strålende eksperimentelist".