Kvantdatorer som kan lösa komplexa problem, som läkemedelsdesign eller maskininlärning, kommer att kräva miljontals kvantbitar - eller qubits - anslutna på ett integrerat sätt och utformade för att korrigera fel som oundvikligen uppstår i bräckliga kvantsystem.

Nu, ett australiensiskt forskargrupp har experimentellt insett en avgörande kombination av dessa funktioner på ett kiselchip, föra drömmen om en universell kvantdator närmare verkligheten.

De har visat en integrerad kisel-qubit-plattform som kombinerar både enkel-spin-adresserbarhet-möjligheten att "skriva" information om en enda spin-qubit utan att störa sina grannar-och en qubit "read-out" -process som kommer att vara avgörande för kvantfelkorrigering .

Dessutom, deras nya integrerade design kan tillverkas med väletablerad teknik som används i den befintliga datorindustrin.

Teamet leds av Scientia professor Andrew Dzurak från University of New South Wales i Sydney, en programledare vid Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) och direktör för NSW -noden i Australian National Fabrication Facility.

Förra året, Dzurak och kollegor publicerade en design för en ny chiparkitektur som skulle möjliggöra kvantberäkningar med hjälp av CMOS-komponenter (komplementära metalloxid-halvledare)-grunden för alla moderna datorchips.

I deras nya studie, publiceras idag i tidningen Naturkommunikation , laget kombinerar två grundläggande kvanttekniker för första gången, bekräftar löftet om deras tillvägagångssätt.

Dzuraks team hade också tidigare visat att en integrerad kisel-qubit-plattform kan fungera med enkelspinnad adresserbarhet-möjligheten att rotera ett enda snurr utan att störa sina grannar.

De har nu visat att de kan kombinera detta med en speciell typ av kvantavläsningsprocess som kallas Pauli spin -blockad, ett nyckelkrav för kvantfelkorrigeringskoder som kommer att vara nödvändiga för att säkerställa noggrannhet i stora spinnbaserade kvantdatorer. Denna nya kombination av qubit -avläsning och kontrolltekniker är ett centralt inslag i deras kvantchipsdesign.

"Vi har visat förmågan att göra Pauli -spin -avläsning i vår kisel -qubit -enhet, men för första gången, Vi har också kombinerat det med spinnresonans för att styra centrifugeringen, säger Dzurak.

"Detta är en viktig milstolpe för oss på vägen till att utföra kvantfelkorrigering med spin qubits, vilket kommer att vara avgörande för alla universella kvantdatorer. "

"Kvantfelkorrigering är ett nyckelkrav för att skapa användbar kvantberäkning i stor skala eftersom alla qubits är bräckliga, och du måste korrigera för fel när de dyker upp, säger huvudförfattaren, Michael Fogarty, som utförde experimenten som en del av sin doktorsexamen forskning med professor Dzurak vid UNSW.

"Men detta skapar betydande omkostnader i antalet fysiska qubits du behöver för att få systemet att fungera, "konstaterar Fogarty.

Dzurak säger, "Genom att använda CMOS -teknik av kisel har vi den perfekta plattformen att skala till de miljoner qubits vi kommer att behöva, och våra senaste resultat ger oss verktygen för att uppnå spin-qubit-felkorrigering inom en snar framtid. "

"Det är ytterligare en bekräftelse på att vi är på rätt väg. Och det visar också att arkitekturen vi har utvecklat vid UNSW har, än så länge, visade inga hinder för utvecklingen av ett fungerande kvantdatorchip. "

"Och, vad mer, en som kan tillverkas med väletablerade industriprocesser och komponenter. "

CQC2Ts unika tillvägagångssätt med hjälp av kisel

Att arbeta i kisel är viktigt inte bara för att elementet är billigt och rikligt, men för att det har varit kärnan i den globala datorindustrin i nästan 60 år. Egenskaperna för kisel är väl förstådda och chips som innehåller miljarder konventionella transistorer tillverkas rutinmässigt i stora produktionsanläggningar.

Tre år sedan, Dzuraks team publicerade i tidningen Natur den första demonstrationen av kvantlogikberäkningar i en verklig kiselanordning med skapandet av en två-qubit logisk grind-den centrala byggstenen i en kvantdator.

"Det var de första babystegen, de första demonstrationerna av hur man kan förvandla detta radikala kvantberäkningskoncept till en praktisk enhet med hjälp av komponenter som ligger till grund för all modern databehandling, "säger professor 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 ingenjörskonst 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 författare till den nya Naturkommunikation papper är UNSW -forskare Kok Wai Chan, Bas Hensen, Wister Huang, Tuomo Tanttu, Henry Yang, Arne Laucht, Fay Hudson och Andrea Morello, liksom Menno Veldhorst från QuTech och TU Delft, Thaddeus Ladd från HRL Laboratories och Kohei Itoh från Japans Keio University.

Kommersialisera CQC2T:s immateriella rättigheter

År 2017, ett konsortium av australiensiska regeringar, industri och universitet grundade Australiens första kvantdatabolag som kommersialiserade CQC2T:s världsledande immateriella rättigheter.

Drift från nya laboratorier vid UNSW, Silicon Quantum Computing Pty Ltd (SQC) har som mål att producera en 10-qubit demonstrationsanordning i kisel till 2022, som föregångare till att skapa en kiselbaserad kvantdator.

Dzuraks och hans teams arbete kommer att vara en del av SQC för att förverkliga den ambitionen. UNSW -forskare och ingenjörer vid CQC2T utvecklar parallella patenterade tillvägagångssätt med hjälp av enkelatom och kvantpunkts qubits.

I maj 2018, Australiens dåvarande premiärminister, Malcolm Turnbull, och Frankrikes president, Emmanuel Macron, tillkännagav undertecknandet av ett Memorandum of Understanding (MoU) för ett nytt samarbete mellan SQC och den världsledande franska forsknings- och utvecklingsorganisationen, Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA).

I samförståndsavtalet beskrivs planerna på att bilda ett joint venture inom kisel-CMOS kvantberäkningsteknik för att påskynda och fokusera teknikutveckling, samt för att fånga kommersialiseringsmöjligheter - samla franska och australiensiska ansträngningar för att utveckla en kvantdator.

Det föreslagna australiska-franska joint venture skulle samla Dzuraks team, ligger vid UNSW, med ett team som leds av Dr. Maud Vinet från CEA, som är experter på avancerad CMOS -tillverkningsteknik, och som också nyligen har demonstrerat en kiselkvit tillverkad med deras prototypanläggning i industriell skala i Grenoble.

Det uppskattas att industrier som omfattar cirka 40% av Australiens nuvarande ekonomi kan påverkas avsevärt av kvantberäkning.

Möjliga applikationer inkluderar mjukvarudesign, maskininlärning, schemaläggning och logistisk planering, finansiell analys, börsmodellering, programvara och hårdvaruverifiering, klimatmodellering, snabb läkemedelsdesign och testning, och tidig upptäckt och förebyggande av sjukdomar.