Ingeniører gør kritiske fremskridt inden for kvantecomputerdesign

Kvanteingeniører fra UNSW Sydney har fjernet en stor forhindring, der har stået i vejen for, at kvantecomputere kan blive en realitet. De opdagede en ny teknik, som de siger vil være i stand til at kontrollere millioner af spin-qubits - de grundlæggende informationsenheder i en siliciumkvanteprocessor.

Indtil nu, kvantecomputeringeniører og videnskabsmænd har arbejdet med en proof-of-concept-model af kvanteprocessorer ved at demonstrere styringen af ​​kun en håndfuld qubits.

Men med deres seneste forskning, offentliggjort i dag i Videnskabens fremskridt , holdet har fundet, hvad de betragter som "det manglende stiksavstykke" i kvantecomputerens arkitektur, der skulle muliggøre kontrol af de millioner af qubits, der er nødvendige for ekstraordinært komplekse beregninger.

Dr. Jarryd Pla, et fakultetsmedlem på UNSW's School of Electrical Engineering and Telecommunications siger, at hans forskerhold ønskede at løse problemet, der havde ramt kvantecomputerforskere i årtier - hvordan man kontrollerer ikke blot nogle få, men millioner af qubits uden at optage værdifuld plads med flere ledninger, som bruger mere strøm og genererer mere varme.

"Hidtil har styring af elektronspin-qubits var afhængig af, at vi leverede magnetiske mikrobølgefelter ved at sætte en strøm gennem en ledning lige ved siden af ​​qubitten, " siger Dr. Pla.

"Dette giver nogle reelle udfordringer, hvis vi ønsker at skalere op til de millioner af qubits, som en kvantecomputer skal bruge for at løse globalt signifikante problemer, såsom design af nye vacciner.

"Først og fremmest, magnetfelterne falder meget hurtigt med afstand, så vi kan kun kontrollere de qubits, der er tættest på ledningen. Det betyder, at vi bliver nødt til at tilføje flere og flere ledninger, efterhånden som vi har indbragt flere og flere qubits, som ville optage en masse fast ejendom på chippen."

Og da chippen skal fungere ved frysende kolde temperaturer, under -270°C, Dr. Pla siger, at indførelsen af ​​flere ledninger ville generere alt for meget varme i chippen, forstyrrer pålideligheden af ​​qubits.

"Så vi kommer tilbage til kun at være i stand til at kontrollere nogle få qubits med denne ledningsteknik, " siger Dr. Pla.

Lyspære øjeblik

Løsningen på dette problem indebar en fuldstændig nytænkning af siliciumchipstrukturen.

I stedet for at have tusindvis af kontrolledninger på den samme siliciumchip på størrelse med miniaturebilleder, som også skal indeholde millioner af qubits, teamet så på muligheden for at generere et magnetfelt ovenover chippen, der kunne manipulere alle qubits samtidigt.

Denne idé om at kontrollere alle qubits samtidigt blev først fremsat af kvantecomputerforskere tilbage i 1990'erne, men indtil videre, ingen havde udarbejdet en praktisk måde at gøre dette på, indtil nu.

"Først fjernede vi ledningen ved siden af ​​qubits og fandt derefter på en ny måde at levere magnetiske kontrolfelter med mikrobølgefrekvens på tværs af hele systemet. Så i princippet, vi kunne levere kontrolfelter til op til fire millioner qubits, " siger Dr. Pla.

Dr. Pla og holdet introducerede en ny komponent direkte over siliciumchippen - et krystalprisme kaldet en dielektrisk resonator. Når mikrobølger ledes ind i resonatoren, den fokuserer bølgelængden af ​​mikrobølgerne ned til en meget mindre størrelse.

"Den dielektriske resonator krymper bølgelængden ned under en millimeter, så vi har nu en meget effektiv konvertering af mikrobølgeeffekt til det magnetiske felt, der styrer spins af alle qubits.

"Der er to nøgleinnovationer her. Den første er, at vi ikke behøver at lægge en masse strøm ind for at få et stærkt drivende felt for qubits, hvilket afgørende betyder, at vi ikke genererer meget varme. Den anden er, at feltet er meget ensartet på tværs af chippen, så millioner af qubits alle oplever det samme kontrolniveau. "

Quantum team-up

Selvom Dr. Pla og hans team havde udviklet prototypen resonatorteknologi, de havde ikke silicium qubits at teste det på. Så han talte med sin ingeniørkollega på UNSW, Scientia professor Andrew Dzurak, hvis team i løbet af det sidste årti havde demonstreret den første og den mest nøjagtige kvantelogik ved hjælp af den samme siliciumfremstillingsteknologi, der blev brugt til at lave konventionelle computerchips.

"Jeg blev helt blæst bagover, da Jarryd kom til mig med sin nye idé, " Prof. Dzurak siger, "og vi gik straks i gang med at se, hvordan vi kunne integrere det med de qubit-chips, som mit team har udviklet.

"Vi sætter to af vores bedste ph.d.-studerende på projektet, Ensar Vahapoglu fra mit hold, og James Slack-Smith fra Jarryd's.

"Vi var ovenud glade, da eksperimentet viste sig at være vellykket. Dette problem med, hvordan man kontrollerer millioner af qubits, havde bekymret mig i lang tid, da det var en stor blokering for at bygge en fuldskala kvantecomputer."

Engang kun drømt om i 1980'erne, kvantecomputere, der bruger tusindvis af qubits til at løse problemer af kommerciel betydning, kan nu være mindre end et årti væk. Udover det, de forventes at bringe ny ildkraft til at løse globale udfordringer og udvikle nye teknologier på grund af deres evne til at modellere ekstraordinært komplekse systemer.

Klima forandring, lægemiddel- og vaccinedesign, kodedekryptering og kunstig intelligens kan alle drage fordel af kvantecomputerteknologi.

Ser frem til

Næste, holdet planlægger at bruge denne nye teknologi til at forenkle designet af kortsigtede siliciumkvanteprocessorer.

"Ved at fjerne on-chip kontrolledningen frigøres plads til yderligere qubits og al den anden elektronik, der kræves for at bygge en kvanteprocessor. Det gør opgaven med at gå til næste trin med at producere enheder med nogle snesevis af qubits meget enklere, " siger prof. Dzurak.

"Selvom der er tekniske udfordringer at løse, før processorer med en million qubits kan laves, vi er begejstrede over, at vi nu har en måde at kontrollere dem på, " siger Dr. Pla.