Ingenjörer vid Australiens University of New South Wales har uppfunnit en radikal ny arkitektur för kvantberäkning, baserat på nya 'flip-flop qubits', som lovar att göra storskalig tillverkning av kvantchips dramatiskt billigare - och enklare - än man trodde var möjligt.

Den nya chipdesignen, detaljerad i tidningen Naturkommunikation , möjliggör en kiselkvantprocessor som kan skalas upp utan den exakta placeringen av atomer som krävs i andra tillvägagångssätt. Viktigt, det gör att kvantbitar (eller 'qubits') - grundenheten för information i en kvantdator - kan placeras hundratals nanometer från varandra och fortfarande förbli kopplade.

Designen är tänkt av ett team som leds av Andrea Morello, Programchef i UNSW-baserade ARC Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) i Sydney, som sa att tillverkningen av den nya designen borde vara lätt inom räckhåll för dagens teknik.

Huvudförfattare Guilherme Tosi, forskare vid CQC2T, utvecklat det banbrytande konceptet tillsammans med Morello och medförfattare Fahd Mohiyaddin, Vivien Schmitt och Stefanie Tenberg från CQC2T, med medarbetarna Rajib Rahman och Gerhard Klimeck från Purdue University i USA.

"Det är en strålande design, och som många sådana konceptuella språng, det är fantastiskt att ingen hade tänkt på det förut, sa Morello.

"Vad Guilherme och teamet har uppfunnit är ett nytt sätt att definiera en" spin qubit "som använder både elektronen och atomkärnan. denna nya qubit kan styras med elektriska signaler, istället för magnetiska. Elektriska signaler är betydligt enklare att distribuera och lokalisera inom ett elektroniskt chip. "

Tosi sa att designen undviker en utmaning som alla spinnbaserade kiselqubits förväntades möta när team börjar bygga större och större matriser av qubits:behovet av att placera dem på ett avstånd av endast 10-20 nanometer, eller bara 50 atomer från varandra.

"Om de är för nära, eller för långt ifrån varandra, 'sammanfiltring' mellan kvantbitar - vilket är det som gör kvantdatorer så speciella - förekommer inte, "Sa Tosi.

Forskare vid UNSW leder redan världen i att göra spin -qubits i denna skala, sa Morello. "Men om vi vill göra en rad med tusentals eller miljoner qubits så nära varandra, det betyder att alla kontrollinjer, styrelektroniken och avläsningsanordningarna måste också tillverkas i den nanometriska skalan, och med den tonhöjden och den elektrodens densitet. Detta nya koncept föreslår en annan väg. "

I andra änden av spektrumet finns supraledande kretsar - förföljs till exempel av IBM och Google - och jonfällor. Dessa system är stora och lättare att tillverka, och är för närvarande ledande i antalet qubits som kan drivas. Dock, på grund av deras större dimensioner, på sikt kan de möta utmaningar när de försöker montera och driva miljontals qubits, som krävs av de mest användbara kvantalgoritmerna.

"Vårt nya kiselbaserade tillvägagångssätt ligger precis vid sweet spot, "sa Morello, professor i kvantteknik vid UNSW. "Det är lättare att tillverka än enheter i atomskala, men tillåter oss ändå att placera en miljon qubits på en kvadratmillimeter. "

I single-atom qubit som används av Morellos team, och vilken Tosis nya design gäller, ett kiselchip är täckt med ett lager isolerande kiseloxid, ovanpå vilar ett mönster av metalliska elektroder som arbetar vid temperaturer nära absolut noll och i närvaro av ett mycket starkt magnetfält.

I kärnan finns en fosforatom, varifrån Morellos team tidigare har byggt två funktionella qubits med hjälp av en elektron och atomkärnan. Dessa qubits, tas individuellt, har visat sammanhangstider i världsrekord.

Tosis konceptuella genombrott är skapandet av en helt ny typ av qubit, använder både kärnan och elektronen. I detta tillvägagångssätt, ett qubit -0 -tillstånd definieras när elektronens snurr är nere och kärnspinnet är uppe, medan "1" -läget är när elektronspinnet är uppe, och kärnvridningen är nere.

"Vi kallar det" flip-flop "qubit, "sa Tosi." För att driva denna qubit, du måste dra elektronen lite bort från kärnan, med elektroderna upptill. Genom att göra så, du skapar också en elektrisk dipol. "

"Detta är den avgörande punkten, "tillägger Morello." Dessa elektriska dipoler interagerar med varandra på ganska stora avstånd, en bra bråkdel av en mikron, eller 1, 000 nanometer.

"Det betyder att vi nu kan placera single-atom qubits mycket längre ifrån varandra än tidigare trott möjligt, "fortsatte han." Så det finns gott om utrymme att varva de viktigaste klassiska komponenterna, till exempel sammankopplingar, styrelektroder och avläsningsanordningar, samtidigt som kvantbitens exakta atomliknande natur behålls. "

Morello kallade Tosis koncept lika betydelsefullt som Bruce Kane -papper från 1998 Natur . Kane, sedan en senior forskningsassistent vid UNSW, träffade en ny arkitektur som skulle kunna göra en kiselbaserad kvantdator till verklighet - vilket utlöser Australiens lopp om att bygga en kvantdator.

"Som Kanes papper, detta är en teori, ett förslag - qubit har ännu inte byggts, "sa Morello." Vi har några preliminära experimentella data som tyder på att det är helt genomförbart, så vi arbetar för att visa detta fullt ut. Men jag tror att det här är lika visionärt som Kanes originaltidning. "

Att bygga en kvantdator har kallats 'rymdkapplöpningen på 2000 -talet' - en svår och ambitiös utmaning med potential att leverera revolutionerande verktyg för att hantera annars omöjliga beräkningar, med en uppsjö av användbara applikationer inom vården, försvar, finansiera, kemi och materialutveckling, programvarufelsökning, flyg och transport. Dess hastighet och kraft ligger i det faktum att kvantsystem kan vara värd för flera 'superpositioner' av olika initialtillstånd, och i den läskiga "intrassling" som bara sker på kvantnivå de grundläggande partiklarna.

"Det kommer att krävas stor ingenjörskonst för att få kvantdata till kommersiell verklighet, och det arbete vi ser från detta extraordinära team sätter Australien i förarsätet, "sa Mark Hoffman, UNSW:s teknikdekan. "Det är ett bra exempel på hur UNSW, som många av världens ledande forskningsuniversitet, är idag kärnan i ett sofistikerat globalt kunskapssystem som formar vår framtid. "

UNSW -teamet har ingått ett avtal på 83 miljoner dollar mellan UNSW, telegiganten Telstra, Australiens Commonwealth Bank och Australiens och New South Wales regeringar att utveckla, år 2022, en 10 -qubit prototyp kiselintegrerad krets - det första steget i att bygga världens första kvantdator i kisel.

I Augusti, partnerna lanserade Silicon Quantum Computing Pty Ltd, Australiens första kvantdatorföretag, att främja utvecklingen och kommersialiseringen av teamets unika teknik. NSW -regeringen lovade 8,7 miljoner dollar, UNSW A $ 25 miljoner, Commonwealth Bank A $ 14 miljoner, Telstra A 10 miljoner dollar och förbundsregeringen 25 miljoner dollar.