Materialefremskridt er nøglen til udvikling af kvantehardware

En ny undersøgelse skitserer behovet for materielle fremskridt i den hardware, der går til fremstilling af kvantecomputere, hvis disse futuristiske enheder skal overgå evnerne på de computere, vi bruger i dag.

Studiet, offentliggjort i tidsskriftet Videnskab af et internationalt team, undersøgte tilstanden af ​​forskningen inden for quantum computing hardware med det formål at illustrere de udfordringer og muligheder, forskere og ingeniører står over for.

Mens konventionelle computere koder "bits" af information som etaller og nuller, kvantecomputere briser forbi dette binære arrangement ved at oprette 'qubits, 'som kan være kompleks, løbende mængder. Lagring og manipulation af information i denne eksotiske form - og i sidste ende at nå til 'kvantefordel', hvor kvantecomputere gør ting, som konventionelle computere ikke kan - kræver sofistikeret kontrol af de underliggende materialer.

"Der har været en eksplosion i udviklingen af ​​kvanteteknologier i løbet af de sidste 20 år, " sagde Nathalie de Leon, assisterende professor i elektrisk og computerteknik ved Princeton University og hovedforfatter af papiret, "kulminerede i de nuværende bestræbelser på at vise kvantefordele til en række opgaver, fra databehandling og simulering til netværk og sansning."

Indtil for nylig, det meste af dette arbejde har haft til formål at demonstrere principielle beviser for kvanteapparater og processorer, de Leon sagde, men nu er feltet klar til at tage fat på udfordringer i den virkelige verden.

"Ligesom klassisk computerhardware blev et enormt felt inden for materialevidenskab og teknik i det sidste århundrede, Jeg tror, ​​at kvanteteknologiområdet nu er modent til en ny tilgang, hvor materialeforskere, kemikere, enhedsingeniører og andre forskere og ingeniører kan produktivt bringe deres ekspertise til at bære problemet. "

Artiklen er en opfordring til videnskabsmænd, der studerer materialer, for at vende sig til udfordringen med at udvikle hardware til kvantecomputere, sagde Hanhee Paik, tilsvarende forfatter og et forskningsmedarbejder hos IBM Quantum.

"Fremskridtene inden for kvantecomputerteknologier har været accelererende i de senere år både inden for forskning og industri, "Sagde Paik." For at fortsætte fremad i det næste årti, vi får brug for fremskridt inden for materialer og fremstillingsteknologier til kvanteberegningshardware - på samme måde som hvordan klassisk databehandling skred frem i mikroprocessorskalering. Gennembrud sker ikke fra den ene dag til den anden, og vi håber, at flere mennesker i materialesamfundet vil begynde at arbejde med kvanteberegningsteknologi. Vores papir er skrevet for at give materialefællesskabet et omfattende overblik over, hvor vi er inden for materialeudvikling inden for kvanteberegning med ekspertudtalelser fra feltet. "

I hjertet af kvantecomputere er qubits, som arbejder sammen for at få resultaterne til at skære ud.

Disse qubits kan laves på forskellige måder, hvor de førende teknologier er superledende qubits, qubits lavet af at fange ioner med lys, qubits fremstillet af siliciummaterialerne, der findes i nutidens computere, qubits fanget i "farvecentre" i diamanter med høj renhed, og topologisk beskyttede qubits repræsenteret i eksotiske subatomære partikler. Papiret analyserede de vigtigste teknologiske udfordringer forbundet med hvert af disse materialer og foreslår strategier til at tackle disse problemer.

Forskere håber, at en eller flere af disse platforme i sidste ende vil udvikle sig til det stadie, hvor kvanteberegning kan løse problemer, som nutidens maskiner finder umulige, såsom modellering af molekylers adfærd og levering af sikker elektronisk kryptering.

"Jeg tror [dette papir] er første gang, at denne form for omfattende billede er blevet samlet. Vi prioriterede 'at vise vores arbejde, ' og forklarer begrundelsen bag den modtagne visdom for hver hardwareplatform, "de Leon sagde." Vores håb er, at denne tilgang vil gøre det muligt for nye deltagere i feltet at finde måder at yde et stort bidrag. "

De ti medforfattere kommer fra forskningsinstitutioner rundt om i verden samt IBM T.J. Watson Research Center, som har en stor kvantecomputerforskningsgruppe. Forskerne mødtes under et symposium om materialer til kvantecomputering sponsoreret af IBM Quantum og Kavli Foundation og holdt på Materials Research Society Fall Meeting i 2019. De brugte derefter meget af deres tid under pandemiens ophold-hjemme-periode sidste år på at udvikle denne anmeldelse.

"Det var en stor oplevelse at arbejde med en gruppe med så forskellig ekspertise, og meget af vores aktivitet involverede at stille hinanden hårde spørgsmål om, hvorfor vi troede på de ting, vi gjorde ved vores respektive materialeplatforme, "sagde de Leon, hvis forskning udnytter fejl i diamantmaterialer for at muliggøre kommunikation mellem noder i et fremtidigt kvanteinternet.