Ud over qubits:Team tager det næste store skridt for at opskalere kvanteberegning

Forskere og ingeniører ved University of Sydney og Microsoft Corporation har åbnet næste kapitel i kvanteteknologi med opfindelsen af ​​en enkelt chip, der kan generere kontrolsignaler for tusindvis af qubits, byggestenene i kvantecomputere.

"For at realisere potentialet ved kvanteberegning, maskiner skal betjene tusinder, hvis ikke millioner af qubits, " sagde professor David Reilly, en designer af chippen, som har en fælles stilling med Microsoft og University of Sydney.

"Verdens største kvantecomputere fungerer i øjeblikket med kun 50 eller deromkring qubits, " sagde han. "Denne lille skala er delvist på grund af grænser for den fysiske arkitektur, der styrer qubits."

"Vores nye chip sætter en stopper for disse grænser."

Resultaterne er offentliggjort i Naturelektronik .

De fleste kvantesystemer kræver kvantebits, eller qubits, til at fungere ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt (-273,15 grader). Dette er for at forhindre dem i at miste deres 'kvantelighed', den karakter af stof eller lys, som kvantecomputere har brug for for at udføre deres specialiserede beregninger.

For at kvanteenheder kan gøre noget nyttigt, de har brug for instruktioner. Det betyder at sende og modtage elektroniske signaler til og fra qubits. Med den nuværende kvantearkitektur, det involverer mange ledninger.

"Nuværende maskiner skaber en smuk række af ledninger til at styre signalerne; de ​​ligner en omvendt forgyldt fuglerede eller lysekrone. De er smukke, men grundlæggende upraktisk. Det betyder, at vi ikke kan skalere maskinerne op til at udføre nyttige beregninger. Der er en reel input-output flaskehals, " sagde professor Reilly, også en Chief Investigator ved ARC Center for Engineered Quantum Systems (EQUS).

Microsoft senior hardwareingeniør, Dr. Kushal Das, en fælles opfinder af chippen, sagde:"Vores enhed fjerner alle de kabler. Med kun to ledninger, der bærer information som input, den kan generere kontrolsignaler for tusindvis af qubits.

"Dette ændrer alt for kvanteberegning."

Kontrolchippen er udviklet på Microsoft Quantum Laboratories ved University of Sydney, et unikt industri-akademisk partnerskab, der ændrer den måde, videnskabsmænd tackler ingeniørmæssige udfordringer på.

"At bygge en kvantecomputer er måske den mest udfordrende ingeniøropgave i det 21. århundrede. Dette kan ikke opnås ved at arbejde med et lille team i et universitetslaboratorium i et enkelt land, men har brug for den skala, som en global teknologigigant som Microsoft tilbyder, " sagde professor Reilly.

"Gennem vores partnerskab med Microsoft, vi har ikke kun foreslået en teoretisk arkitektur til at overvinde input-output flaskehalsen, vi har bygget det.

"Vi har demonstreret dette ved at designe en tilpasset siliciumchip og koble den til et kvantesystem, " sagde han. "Jeg er sikker på at sige, at dette er det mest avancerede integrerede kredsløb, der nogensinde er bygget til at fungere ved dybe kryogene temperaturer."

Hvis det realiseres, kvantecomputere lover at revolutionere informationsteknologien ved at løse problemer ud over klassiske computeres rækkevidde inden for så forskellige områder som kryptografi, medicin, finansiere, kunstig intelligens og logistik.

Strømbudget

Kvantecomputere er på et lignende stadium, som klassiske computere var i 1940'erne. Maskiner som ENIAC, verdens første elektroniske computer, nødvendige rum med kontrolsystemer for at opnå enhver nyttig funktion.

Det har taget årtier at overvinde de videnskabelige og tekniske udfordringer, der nu gør det muligt for milliarder af transistorer at passe ind i din mobiltelefon.

"Vores industri står over for måske endnu større udfordringer med at tage kvantecomputere ud over ENIAC-stadiet, " sagde professor Reilly.

"Vi er nødt til at konstruere meget komplekse siliciumchips, der opererer ved 0,1 Kelvin, " sagde han. "Det er et miljø 30 gange koldere end det dybe rum".

Dr. Sebastian Paukas doktorgradsforskning ved University of Sydney omfattede meget af arbejdet med at forbinde kvanteenheder med chippen. Han sagde:"At arbejde ved så kolde temperaturer betyder, at vi har et utroligt lavt strømbudget. Hvis vi forsøger at sætte mere strøm ind i systemet, vi overophedes det hele."

For at opnå deres resultat, videnskabsmændene i Sydney og Microsoft byggede det mest avancerede integrerede kredsløb til at fungere ved kryogene temperaturer.

"Vi har gjort dette ved at konstruere et system, der fungerer i umiddelbar nærhed af qubits uden at forstyrre deres drift, " sagde professor Reilly.

"Nuværende kontrolsystemer til qubits fjernes meter væk fra handlingen, så at sige. De findes for det meste ved stuetemperatur.

"I vores system behøver vi ikke at komme ud af den kryogene platform. Chippen er lige der med qubits. Det betyder lavere effekt og højere hastigheder. Det er et rigtigt kontrolsystem til kvanteteknologi."

Års ingeniørarbejde

"At finde ud af, hvordan man styrer disse enheder, kræver mange års ingeniørudvikling, Professor Reilly sagde. "For denne enhed startede vi for fire år siden, da University of Sydney startede sit partnerskab med Microsoft, som repræsenterer den største enkeltinvestering i kvanteteknologi i Australien.

"Vi byggede masser af modeller og designbiblioteker for at fange transistors adfærd ved dybe kryogene temperaturer. Så skulle vi bygge enheder, få dem verificeret, karakteriseres og endelig forbinde dem til qubits for at se dem fungere i praksis."

Vicekansler og rektor ved University of Sydney, Professor Stephen Garton, sagde:"Hele universitetssamfundet er stolte af professor Reillys succes, og vi ser frem til mange års fortsat partnerskab med Microsoft."

Professor Reilly sagde, at feltet nu er fundamentalt ændret. "Det handler ikke kun om 'her er min qubit'. Det handler om, hvordan du bygger alle lagene og al teknologien til at bygge en rigtig maskine.

"Vores partnerskab med Microsoft giver os mulighed for at arbejde med akademisk stringens, med fordelen ved at se vores resultater hurtigt omsat i praksis."

Vicerektor (forskning), Professor Duncan Ivison, sagde:"Vores partnerskab med Microsoft har handlet om at realisere David Reillys inspirerede vision om at muliggøre kvanteteknologi. Det er fantastisk at se den vision blive til virkelighed."

Professor Reilly sagde:"Hvis vi udelukkende var forblevet i den akademiske verden, ville denne chip aldrig være blevet bygget."

Den australske videnskabsmand sagde, at han ikke stopper der.

"Vi er lige begyndt på denne nye bølge af kvanteinnovation, " sagde han. "Det fantastiske ved partnerskabet er, at vi ikke bare udgiver et papir og går videre. Vi kan nu fortsætte med planen for at realisere kvanteteknologi i industriel skala."