Ledning til fremtidens kvantecomputer:En ny, enkel konstruktion med eksisterende teknologi

Effektiv kvanteberegning forventes at muliggøre fremskridt, der er umulige med klassiske computere. Forskere fra Japan og Sydney har samarbejdet og foreslået et nyt todimensionelt design, der kan konstrueres ved hjælp af eksisterende integreret kredsløbsteknologi. Dette design løser typiske problemer, som den nuværende tredimensionelle emballage til opskalerede kvantecomputere står over for, bringer fremtiden et skridt nærmere.

Kvantecomputere bliver i stigende grad i fokus for videnskabsmænd inden for områder som fysik og kemi, og industrifolk inden for det farmaceutiske, fly, og bilindustrien. Globalt, forskningslaboratorier hos virksomheder som Google og IBM bruger omfattende ressourcer på at forbedre kvantecomputere, og med god grund. Kvantecomputere bruger det grundlæggende i kvantemekanikken til at behandle væsentligt større mængder information meget hurtigere end klassiske computere. Det forventes, at når fejlkorrigeret og fejltolerant kvanteberegning opnås, videnskabelige og teknologiske fremskridt vil ske i et hidtil uset omfang.

Men at bygge kvantecomputere til storskalaberegning har vist sig at være en udfordring i forhold til deres arkitektur. De grundlæggende enheder i en kvantecomputer er "kvantebits" eller "qubits". Disse er typisk atomer, ioner, fotoner, subatomære partikler såsom elektroner, eller endnu større elementer, der samtidig eksisterer i flere tilstande, gør det muligt hurtigt at opnå flere potentielle resultater for store datamængder. Det teoretiske krav til kvantecomputere er, at disse er arrangeret i todimensionelle (2-D) arrays, hvor hver qubit både er koblet med sin nærmeste nabo og forbundet med de nødvendige eksterne kontrollinjer og enheder. Når antallet af qubits i et array øges, det bliver svært at nå qubits i det indre af arrayet fra kanten. Behovet for at løse dette problem har indtil videre resulteret i komplekse tredimensionelle (3-D) ledningssystemer på tværs af flere planer, hvor mange ledninger skærer hinanden, gør deres konstruktion til en betydelig ingeniørudfordring.

En gruppe videnskabsmænd fra Tokyo University of Science, Japan, RIKEN Center for Emergent Matter Science, Japan, og Teknologisk Universitet, Sydney, ledet af prof Jaw-Shen Tsai, foreslår en unik løsning på dette qubit-tilgængelighedsproblem ved at ændre arkitekturen af ​​qubit-arrayet. "Her, vi løser dette problem og præsenterer en modificeret superledende mikroarkitektur, der ikke kræver nogen 3-D ekstern linjeteknologi og vender tilbage til et fuldstændigt plan design, "skriver de. Undersøgelsen er blevet offentliggjort i New Journal of Physics .

Forskerne begyndte med et qubit firkantet gitterarray og strakte hver søjle ud i 2-D-planet. De foldede derefter hver på hinanden følgende søjle oven på hinanden, danner et dobbelt endimensionelt array kaldet et bilineært array. Dette satte alle qubits på kanten og forenklede arrangementet af det nødvendige ledningssystem. Systemet er 2-D. I denne nye arkitektur, nogle af inter-qubit-ledningerne – hver qubit er også forbundet til alle tilstødende qubits i et array – overlapper hinanden, men fordi disse er de eneste overlapninger i ledningerne, simple lokale 3-D-systemer såsom luftbroer ved overlapningspunktet er nok, og systemet forbliver generelt i 2-D. Som du kan forestille dig, dette forenkler dens konstruktion betydeligt.

Forskerne vurderede gennemførligheden af ​​dette nye arrangement gennem numerisk og eksperimentel evaluering, hvor de testede, hvor meget af et signal der blev tilbageholdt før og efter det passerede gennem en luftbro. Resultaterne af begge evalueringer viste, at det er muligt at bygge og køre dette system ved hjælp af eksisterende teknologi og uden noget 3-D arrangement.

Forskernes eksperimenter viste dem også, at deres arkitektur løser flere problemer, der plager 3D-strukturerne:De er svære at konstruere, der er krydstale eller signalinterferens mellem bølger transmitteret over to ledninger, og qubitternes skrøbelige kvantetilstande kan nedbrydes. Det nye pseudo-2-D design reducerer antallet af gange ledninger krydser hinanden, derved reduceres krydstale og følgelig øges effektiviteten af ​​systemet.

På et tidspunkt, hvor store laboratorier verden over forsøger at finde måder at bygge storstilet fejltolerante kvantecomputere, resultaterne af denne spændende nye undersøgelse indikerer, at sådanne computere kan bygges ved hjælp af eksisterende 2-D integreret kredsløbsteknologi. "Kvantecomputeren er en informationsenhed, der forventes at langt overstige moderne computeres muligheder, " siger prof Tsai. Forskningen i denne retning er først begyndt med denne undersøgelse, og prof Tsai afslutter med at sige, "Vi planlægger at konstruere et lille kredsløb for yderligere at undersøge og udforske muligheden."