Kritický pokrok v kvantovém počítačovém designu

Kvantoví inženýři z University of New South Wales v Sydney odstranili hlavní překážku, která stojí v cestě tomu, aby se kvantové počítače staly realitou: objevili novou technologii, o které říkají, že bude schopná ovládat miliony spin qubitů – základní jednotky informace v křemíkovém kvantovém procesoru. .

Doposud kvantoví počítačoví inženýři a vědci pracovali s modelem důkazu koncepce pro kvantové procesory tím, že demonstrovali kontrolu pouze nad několika qubity.

Ale s jejich nejnovějším výzkumem, publikovaným dnes (13. srpna 2021) v pokrok vědyTým našel to, co považují za „chybějící kousek skládačky“ v architektuře kvantového počítače, který by měl umožnit ovládání milionů qubitů potřebných k provádění neobvykle složitých výpočtů.

Dr. Jared Pla, člen fakulty na škole elektrotechniky a komunikačních technologií na univerzitě v Novém Jižním Walesu, říká, že jeho výzkumný tým chtěl vyřešit problém, který po celá desetiletí lámal hlavu kvantovým počítačovým vědcům: jak ovládat nejen několik, ale miliony qubitů, aniž by zabíraly cenný prostor s více dráty, větší spotřebou elektřiny, větší produkcí tepla.

„Až do tohoto bodu se ovládání elektronových qubitů pro spin spoléhalo na to, že budeme vést mikrovlnná magnetická pole tak, že budeme proud procházet drátem vedle qubitu,“ říká doktor Pla.

„To představuje určité skutečné výzvy, pokud se chystáme škálovat na miliony qubitů, které bude kvantový počítač potřebovat k vyřešení globálně důležitých problémů, jako je navrhování nových vakcín.“

Dr. Jared Pla a profesor Andrew Dzurak. Zápočet: UNSW

„Za prvé, magnetická pole se vzdáleností velmi rychle odpadávají, takže můžeme ovládat pouze ty qubity nejblíže drátu. To znamená, že budeme muset přidávat další a další dráty, protože přinášíme stále více qubitů, což zabere hodně nemovitostí na čipu. “

Vzhledem k tomu, že čip musí pracovat při teplotách až -270 stupňů Celsia, Dr. Blah říká, že vložení více vodičů by v čipu generovalo velké množství tepla, což by narušilo spolehlivost qubitů.

Říká Dr.

momentka baterky

Řešení tohoto problému zahrnovalo úplné předělání struktury křemíkové oplatky.

Místo toho, abychom měli tisíce řídicích vodičů na stejném křemíkovém čipu malé velikosti, který také musí obsahovat miliony qubitů, tým se zabýval proveditelností generování magnetického pole na čipu, které by zvládlo všechny qubity současně.

Myšlenku ovládání všech qubits současně navrhl Kvantitativní statistika Vědci v 90. letech, ale až dosud nikdo nevymyslel praktický způsob, jak toho dosáhnout – až dosud.

„Nejprve jsme odstranili vodič sousedící s qubity a poté jsme vymysleli nový způsob komunikace magnetických ovládacích polí mikrovlnné frekvence v celém systému. V zásadě bychom tedy mohli zavést kontrolní pole až čtyř milionů qubitů,“ říká doktor Plaa.

Dr. Pla a tým představili novou součást přímo na křemíkovou oplatku – krystalový hranol nazývaný izolační rezonátor. Když jsou mikrovlny nasměrovány na rezonátor, zaostří vlnovou délku mikrovln na mnohem menší velikost.

„Dielektrický rezonátor zmenšuje vlnovou délku na méně než jeden milimetr, takže nyní máme velmi efektivní přeměnu mikrovlnné energie na magnetické pole, které řídí otáčení všech qubitů.“

„Jsou zde dvě hlavní novinky. První je, že nemusíme vynaložit spoustu energie, abychom získali silné pole pro qubity, což v zásadě znamená, že nevytváříme mnoho tepla. Druhá je, že pole je v celém čipu velmi jednotné, takže na něm testujete miliony qubitů. stejná úroveň kontroly.

Kvantový tým

Ačkoli Dr. Pla a jeho tým vyvinuli prototyp rezonátorové technologie, neměli k testování křemíkové qubity. Mluvil tedy se svým inženýrským kolegou z University of New South Wales, profesorem Andrewem Dzurakem ze společnosti Scientia, jehož tým za poslední desetiletí prokázal první a nejpřesnější kvantovou logiku pomocí stejné techniky výroby křemíku, která se používá k výrobě konvenčních počítačových čipů.

Profesor Dzurak říká: „Byl jsem naprosto ohromen, když mi Jared přišel se svým novým nápadem, a okamžitě jsme se pustili do práce, abychom zjistili, jak to můžeme kombinovat s qubit čipy, které můj tým vyvíjel.

„Do projektu jsme zapojili dva z našich nejlepších doktorandů, Ansar Fahaboglu z mého týmu a James Slack Smith z Jareda.“

„Byli jsme nadšeni, když se experiment ukázal jako úspěšný. Tento problém, jak ovládat miliony qubitů, mě již delší dobu znepokojuje, protože je hlavní překážkou pro stavbu velkého kvantového počítače.“

Kvantové počítače, které používají tisíce qubitů k řešení problémů komerčního významu, jsou nyní vzdáleny méně než deset let. Kromě toho se od nich očekává, že přinesou novou palebnou sílu při řešení globálních výzev a vývoji nových technologií díky své schopnosti modelovat vysoce složité systémy.

Změny klimatu, návrh léků a vakcín, dekódování a umělá inteligence budou těžit z kvantové výpočetní technologie.

Dívám se dopředu

Dále tým plánuje v blízké budoucnosti použít tuto novou technologii ke zjednodušení návrhu kvantových křemíkových procesorů.

„Odstraněním ovládacího drátu na čipu se uvolní místo pro další qubity a veškerou další elektroniku potřebnou k vybudování kvantového procesoru. Tím je úkol přejít k dalšímu kroku výroby zařízení s desítkami qubitů mnohem jednodušší,“ říká profesor Dzurak.

„I když existují technické problémy, které je třeba vyřešit, než bude možné postavit miliony qubitových procesorů, jsme nadšeni skutečností, že nyní máme způsob, jak je ovládat,“ říká Dr.

Odkaz: „Jednoelektronová spinová rezonance v nanoelektronickém zařízení využívající globální pole“ 13. srpna 2021, pokrok vědy.
DOI: 10,1126 / sciadv.abg9158