Ny superren siliciumchip åbner vej til kraftfulde kvantecomputere
Forskere ved universiteterne i Melbourne og Manchester har opfundet en banebrydende teknik til fremstilling af højt renset silicium, der bringer kraftfulde kvantecomputere et stort skridt nærmere.
Den nye teknik til at konstruere ultrarent silicium gør det til det perfekte materiale til at lave kvantecomputere i skala og med høj nøjagtighed, siger forskerne.
Projektets medvejleder professor David Jamieson, fra University of Melbourne, sagde innovationen, offentliggjort i Communications Materials , bruger qubits af phosphoratomer implanteret i krystaller af rent stabilt silicium og kunne overvinde en kritisk barriere for kvanteberegning ved at forlænge varigheden af notorisk skrøbelig kvantekohærens.
"Skrøbelig kvantekohærens betyder, at computerfejl opbygges hurtigt. Med robust kohærens leveret af vores nye teknik, kunne kvantecomputere på timer eller minutter løse nogle problemer, som ville tage konventionelle eller 'klassiske' computere - selv supercomputere - århundreder," sagde professor Jamieson.
Kvantebits eller qubits - byggestenene i kvantecomputere - er modtagelige for små ændringer i deres miljø, herunder temperaturudsving. Selv når de betjenes i rolige køleskabe nær det absolutte nulpunkt (minus 273 grader Celsius), kan nuværende kvantecomputere opretholde fejlfri sammenhæng i kun en lille brøkdel af et sekund.
Medvejleder ved University of Manchester, professor Richard Curry, sagde, at ultrarent silicium tillod konstruktion af højtydende qubit-enheder – en kritisk komponent, der kræves for at bane vejen mod skalerbare kvantecomputere.
"Det, vi har været i stand til at gøre, er effektivt at skabe en kritisk 'klods', der er nødvendig for at konstruere en siliciumbaseret kvantecomputer. Det er et afgørende skridt til at lave en teknologi, der har potentialet til at være transformativ for menneskeheden," sagde professor Curry.
Hovedforfatter Ravi Acharya, en fælles University of Manchester/University of Melbourne Cookson Scholar, sagde, at den store fordel ved siliciumchip kvantecomputere var, at den brugte de samme væsentlige teknikker, som gør de chips, der bruges i nutidens computere.
"Elektroniske chips i øjeblikket inden for en hverdagscomputer består af milliarder af transistorer - disse kan også bruges til at skabe qubits til siliciumbaserede kvanteenheder. Evnen til at skabe silicium-qubits af høj kvalitet har til dato delvist været begrænset af siliciumets renhed det anvendte udgangsmateriale. Den banebrydende renhed, vi viser her, løser dette problem."
Professor Jamieson sagde, at de nye højtoprensede siliciumcomputerchips huser og beskytter qubits, så de kan opretholde kvantekohærens meget længere, hvilket muliggør komplekse beregninger med stærkt reduceret behov for fejlkorrektion.
"Vores teknik åbner vejen til pålidelige kvantecomputere, der lover trinvise ændringer på tværs af samfundet, herunder inden for kunstig intelligens, sikker data og kommunikation, vaccine- og lægemiddeldesign og energiforbrug, logistik og fremstilling," sagde han.
Silicium - fremstillet af strandsand - er nøglematerialet til nutidens informationsteknologiindustri, fordi det er en rigelig og alsidig halvleder:Den kan fungere som en leder eller en isolator af elektrisk strøm, afhængigt af hvilke andre kemiske elementer der tilsættes den.
"Andre eksperimenterer med alternativer, men vi mener, at silicium er den førende kandidat til kvantecomputerchips, der vil muliggøre den vedvarende sammenhæng, der kræves for pålidelige kvanteberegninger," sagde professor Jamieson.
"Problemet er, at mens naturligt forekommende silicium for det meste er den ønskede isotop silicium-28, er der også omkring 4,5 procent silicium-29. Silicium-29 har en ekstra neutron i hvert atoms kerne, der fungerer som en lille slyngelmagnet, der ødelægger kvantekohærens og at skabe computerfejl," sagde han.
Forskerne rettede en fokuseret højhastighedsstråle af ren silicium-28 mod en siliciumchip, så silicium-28 gradvist erstattede silicium-29-atomerne i chippen og reducerede silicium-29 fra 4,5 % til to dele pr. million (0,0002 procent). ).
"Den gode nyhed er at rense silicium til dette niveau, vi kan nu bruge en standardmaskine - en ionimplantator - som du ville finde i ethvert halvlederfabrikationslaboratorium, tunet til en specifik konfiguration, som vi har designet," sagde professor Jamieson.
I tidligere offentliggjort forskning med ARC Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology satte University of Melbourne – og har stadig – verdensrekorden for single-qubit kohærens på 30 sekunder ved at bruge silicium, der var mindre renset. Tredive sekunder er masser af tid til at gennemføre fejlfrie, komplekse kvanteberegninger.
Professor Jamieson sagde, at de største eksisterende kvantecomputere havde mere end 1.000 qubits, men der opstod fejl inden for millisekunder på grund af mistet sammenhæng.
"Nu hvor vi kan producere ekstremt rent silicium-28, vil vores næste skridt være at demonstrere, at vi kan opretholde kvantekohærens for mange qubits på samme tid. En pålidelig kvantecomputer med kun 30 qubits ville overstige kraften i nutidens supercomputere til nogle applikationer." sagde han.
En 2020-rapport fra Australiens CSIRO anslog, at kvantecomputere i Australien har potentiale til at skabe 10.000 job og 2,5 milliarder dollars i årlig omsætning inden 2040.
"Vores forskning bringer os væsentligt tættere på at realisere dette potentiale," sagde professor Jamieson.
Flere oplysninger: Meget 28Si beriget silicium ved lokaliseret fokuseret ionstråleimplantation, Kommunikationsmaterialer (2024). DOI:10.1038/s43246-024-00498-0
Journaloplysninger: Kommunikationsmateriale
Leveret af University of Melbourne
Varme artikler
-
Skyrmions udvikling i Ir/Fe/Co/Pt flerlag og deres topologiske Hall -signaturMagnetiske målebilleder, der viser, hvordan antallet af skyrmions i et nanomateriale varierer med magnetfeltstyrken. Disse resultater blev brugt til at bevise skyrmioners indflydelse på Hall -resistiv -
Problemer på overfladen begynder med en bølge af små boblerBilleder af de første par mikrosekunder, efter at en vanddråbe rammer et belagt dias, viser, hvordan mikrobobler dannes på stedet for første kontakt og smelter sammen til større bobler, når dråben spr -
Overraskende præference for enkelhed findes i fælles modelEksempler på enkelhedsforskydning i RNA -sekvenser, døgnrytme, og økonomiske modeller. Jo højere kompleksiteten af et output, jo lavere er sandsynligheden for, at output vil blive genereret. Kredit: -
Ny indsigt i magnetiske kvanteeffekter i faste stofferModellen refererer til en kubisk krystalstruktur (pyrochlorgitter). Ikke kun var magnetiske interaktioner mellem de nærmeste naboer inkluderet, men også med de nærmeste nærmeste naboer (se tegning). K
- Ud over Bandersnatch, fremtiden for interaktivt tv er lys
- Galileo på plads til lancering
- Brug af videnskab til at løse et 1.300 år gammelt kunstmysterium
- Teoretikere viser, hvilke kvantesystemer der er egnede til kvantesimuleringer
- Undervisning i eksperimentel videnskab i en tid med social distancering
- Beyond the Moores Law:Nanocomputing ved hjælp af nanotrådfliser