Forskargrupper över hela världen undersöker olika sätt att designa ett fungerande datorchip som kan integrera kvantinteraktioner. Nu, UNSW -ingenjörer tror att de har knäckt problemet, Vi föreställer de kiselmikroprocessorer som vi vet för att skapa en komplett design för ett kvantdatorchip som kan tillverkas med mestadels standardindustriprocesser och komponenter.

Den nya chipdesignen, publicerad i tidningen Naturkommunikation , beskriver en ny arkitektur som gör att kvantberäkningar kan utföras med hjälp av befintliga halvledarkomponenter, känd som CMOS (komplementär metalloxid-halvledare)-grunden för alla moderna chips.

Det var tänkt av Andrew Dzurak, chef för Australian National Fabrication Facility vid University of New South Wales (UNSW), och Dr Menno Veldhorst, huvudförfattare till uppsatsen som var forskare vid UNSW när konceptarbetet gjordes.

"Vi tänker ofta på att landa på månen som mänsklighetens största tekniska underverk, "sa Dzurak, som också är programledare vid Australiens berömda Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T). "Men att skapa ett mikroprocessorchip med en miljard driftsenheter integrerade tillsammans för att fungera som en symfoni - som du kan bära i fickan! - är en häpnadsväckande teknisk prestation, och en som revolutionerade det moderna livet.

"Med kvantberäkning, vi är på gränsen till ett annat tekniskt språng som kan vara lika djupt och transformerande. Men en komplett teknisk design för att förverkliga detta på ett enda chip har varit svårfångad. Jag tror att det vi har utvecklat vid UNSW nu gör det möjligt. Och viktigast av allt, den kan tillverkas i en modern halvledartillverkningsanläggning, " han lade till.

Veldhorst, nu en gruppledare inom kvantteknik på QuTech - ett samarbete mellan Delft University of Technology och TNO, den nederländska organisationen för tillämpad vetenskaplig forskning - sa att kraften i den nya designen är att, för första gången, den kartlägger en tänkbar teknikväg mot att skapa miljontals kvantbitar, eller qubits.

"Anmärkningsvärda som de är, dagens datachips kan inte utnyttja de kvanteffekter som behövs för att lösa de riktigt viktiga problemen som kvantdatorer kommer att göra. För att lösa problem som hanterar stora globala utmaningar - som klimatförändringar eller komplexa sjukdomar som cancer - är det allmänt accepterat att vi kommer att behöva miljontals qubits som arbetar tillsammans. Att göra det, vi kommer att behöva packa ihop qubits och integrera dem, som vi gör med moderna mikroprocessorchips. Det är vad denna nya design syftar till att uppnå.

"Vår design inkluderar konventionella kiseltransistoromkopplare för att "slå på" operationer mellan qubits i en stor tvådimensionell array, använda ett rutnätsbaserat "ord" och "bit"-valprotokoll som liknar det som används för att välja bitar i ett konventionellt datorminne, "tillade han." Genom att välja elektroder ovanför en qubit, vi kan styra en qubits snurr, som lagrar den kvant binära koden för en 0 eller 1. Och genom att välja elektroder mellan qubiterna, två-kvbit logiska interaktioner, eller beräkningar, kan utföras mellan qubits. "

En kvantdator exponentiellt expanderar ordförrådet för binär kod som används i moderna datorer genom att använda två skrämmande principer för kvantfysik - nämligen 'sammanfiltring' och 'överlagring'. Qubits kan lagra en 0, a 1, eller en godtycklig kombination av 0 och 1 samtidigt. Och precis som en kvantdator kan lagra flera värden samtidigt, så det kan bearbeta dem samtidigt, gör flera operationer samtidigt.

Detta skulle göra det möjligt för en universell kvantdator att vara miljontals gånger snabbare än någon konventionell dator när man löser en rad viktiga problem.

Men för att lösa komplexa problem, en användbar universell kvantdator kommer att behöva ett stort antal qubits, möjligen miljoner, eftersom alla typer av qubits vi känner är ömtåliga, och även små fel kan snabbt förstärkas till fel svar.

"Så vi måste använda felkorrigerande koder som använder flera qubits för att lagra en enda bit data, "sa Dzurak." Vår chipplan innehåller en ny typ av felkorrigerande kod som är speciellt utformad för spin qubits, och innefattar ett sofistikerat driftsprotokoll över miljoner qubits. Det är det första försöket att i ett enda chip integrera alla konventionella kiselkretsar som behövs för att styra och läsa de miljoner qubits som behövs för kvantberäkning. "

"Vi förväntar oss att det fortfarande kommer att krävas ändringar av denna design när vi går mot tillverkning, men alla nyckelkomponenter som behövs för kvantberäkning finns här i ett chip. Och det är det som kommer att behövas om vi ska göra kvantdatorer till en arbetshäst för beräkningar som ligger långt bortom dagens datorer, "Dzurak tillade. "Den visar hur man integrerar de miljontals qubits som behövs för att förverkliga det sanna löftet om kvantberäkning."

Att bygga en sådan universell kvantdator har kallats "rymdloppet under 2000 -talet". För en rad beräkningar, de kommer att vara mycket snabbare än befintliga datorer, och för några utmanande problem kunde de hitta lösningar på dagar, kanske till och med timmar, när dagens bästa superdatorer skulle ta miljoner år.

Det finns åtminstone fem stora kvantberäkningsmetoder som utforskas över hela världen:kiselspinn qubits, jonfällor, supraledande öglor, lediga platser i diamanter och topologiska qubits; UNSWs design är baserad på kisel -spin -qubits. Huvudproblemet med alla dessa tillvägagångssätt är att det inte finns någon tydlig väg för att skala antalet kvantbitar upp till de miljoner som behövs utan att datorn blir ett enormt system som kräver skrymmande stödutrustning och kostsam infrastruktur.

Det är därför UNSW:s nya design är så spännande:att förlita sig på dess kiselspinn-qubit-metod – som redan efterliknar mycket av solid-state-enheterna i kisel som är hjärtat i den globala halvledarindustrin på 380 miljarder USD – visar den hur man kan laxspinn-qubit-fel korrigera kod i befintliga chipdesigner, möjliggör äkta universell kvantberäkning.

Till skillnad från nästan alla andra större grupper på andra håll, CQC2T:s kvantberäkningsinsats är obsessivt fokuserad på att skapa solid-state-enheter i kisel, från vilket alla världens datorchips är gjorda. Och de skapar inte bara utsmyckade mönster för att visa upp hur många qubits som kan packas ihop, men syftar till att bygga qubits som en dag lätt skulle kunna tillverkas - och skalas upp.

"Det har liksom sopats under mattan lite, men för storskalig kvantberäkning, vi kommer att behöva miljoner qubits, "sa Dzurak." Här, vi visar ett sätt som spin qubits kan skalas upp massivt. Och det är nyckeln. "

Designen är ett steg framåt i kiselspinn-qubits; det var bara två år sedan, i ett papper i Nature, som Dzurak och Veldhorst visade, för första gången, hur kvantlogikberäkningar skulle kunna göras i en riktig kiselanordning, med skapandet av en två -qubit logisk gate - den centrala byggstenen i en kvantdator.

"Det var de första babystegen, de första demonstrationerna av hur man förvandlar detta radikala kvantberäkningskoncept till en praktisk enhet med hjälp av komponenter som stöder all modern datoranvändning, "sa Mark Hoffman, UNSW:s teknikdekan. "Vårt team har nu en plan för att skala upp det dramatiskt.

"Vi har testat delar av denna design i labbet, med mycket positiva resultat. Vi behöver bara fortsätta bygga vidare på det - vilket fortfarande är en jäkla utmaning, men grunden finns där, och det är väldigt uppmuntrande. Det kommer fortfarande att krävas stor teknik för att få kvantdata till kommersiell verklighet, men klart det arbete vi ser från detta extraordinära team på CQC2T sätter Australien i förarsätet, " han lade till.

Andra CQC2T -forskare som deltog i designen som publicerades i Nature Communications -tidningen var Henry Yang och Gertjan Eenink, varav den senare har gått med i Veldhorst på QuTech.

UNSW-teamet har ingått en affär på 83 miljoner USD mellan UNSW, Telstra, Commonwealth Bank och Australiens och New South Wales regeringar för 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 och den australiensiska regeringen A $ 25 miljoner.