Kvantdatorer har potential att revolutionera hur vi löser hårda dataproblem, från att skapa avancerad artificiell intelligens till att simulera kemiska reaktioner för att skapa nästa generation av material eller läkemedel. Men att bygga sådana maskiner är faktiskt väldigt svårt eftersom de involverar exotiska komponenter och måste förvaras i mycket kontrollerade miljöer. Och de vi har hittills kan inte överträffa traditionella maskiner än.

Men med ett team av forskare från Storbritannien och Frankrike, vi har visat att det mycket väl kan vara möjligt att bygga en kvantdator av konventionella kiselbaserade elektroniska komponenter. Detta kan bana väg för storskalig tillverkning av kvantdatorer mycket tidigare än vad som annars skulle vara möjligt.

Kvantdatornas teoretiska överlägsna kraft härrör från lagarna i nanoskala eller "kvantfysik". Till skillnad från konventionella datorer, som lagrar information i binära bitar som kan vara antingen "0" eller "1, "kvantdatorer använder kvantbitar (eller qubits) som kan vara i en kombination av" 0 "och" 1 "samtidigt. Detta beror på att kvantfysik tillåter partiklar att vara i olika tillstånd eller platser samtidigt.

Kvantdatorutveckling är fortfarande i sin linda och flera hårdvarutekniker finns tillgängliga utan att någon enda dominerar. De mest avancerade prototyperna är för närvarande gjorda av antingen några dussin joner som är instängda i en vakuumkammare eller supraledande kretsar som hålls vid en temperatur nära absolut noll.

Den avgörande utmaningen är att skala upp dessa små demonstranter till stora sammankopplade qubit -system som kommer att ha tillräckligt med datorkraft för att utföra användbara uppgifter snabbare än klassiska superdatorer. För detta ändamål, en annan teknik kan så småningom visa sig vara mer lämplig. Slående nog, detta kan vara samma teknik som idag möjliggör vårt digitala samhälle, kiseltransistorn, den grundläggande informationsenheten som finns i alla mikroprocessorer och minneschips.

Det finns två huvudsakliga anledningar till att det är en aura av stort intresse att göra en kvantdator av kisel. Först, Moore's Law-ledda obevekliga miniatyrisering av kiselanordningar har möjliggjort tillverkning av transistorer som bara är några tiotals atomer breda. Detta är den skala på vilken kvantfysikens lagar börjar gälla.

Detta representerar en fysisk gräns som har lett till ytterligare miniatyrisering av kiseltransistorer. Men det har också främjat nya användningar av kiselteknologi, känd som More-than-Moore-elektronik. Den främsta bland dessa nya riktningar är möjligheten att koda en kvantbit information i varje kiseltransistor, och sedan använda dem för att bygga storskaliga kvantdatorer.

Genom att återanvända samma teknik som mikrochipindustrin har hanterat de senaste 60 åren, Vi kan också dra nytta av tidigare infrastrukturinvesteringar på flera miljarder dollar och minska kostnaderna. Detta innebär att all den smarta konstruktion och bearbetning som gick i utvecklingen av modern mikroelektronik kunde anpassas för att bygga allt kraftfullare kvantprocessorer.

Kiselkvantchip av kisel

Experimenten har nyligen genomförts av våra samarbetande team vid Cambridge University, Hitachi FoU, University College London och CEA-LETI i Frankrike, och publicerad i Nature Electronics tyder på att detta äktenskap mellan konventionell och kvantelektronik verkligen kan firas. Vi tog tekniska lösningar från konventionella kiselkretsar och applicerade dem för att koppla ihop olika kvantanordningar på ett chip. Detta har fört det praktiska förverkligandet av kvantprocessorer ett steg närmare.

Vi har utvecklat en krets som arbetar vid nästan absolut noll temperatur och använder alla kommersiella transistorer. Några av dessa är så små att de kan användas som qubits, medan andra är något större och kan användas för att ansluta till olika qubits. Denna arkitektur liknar påfallande mycket den som används för slumpmässigt åtkomstminne (RAM) i dagens bärbara datorer och smartphones.

Under det senaste halvseklet eller så, vanliga datorer utvecklades från rumsliga skåp fulla av vakuumrör till dagens handhållna mikrochipbaserade enheter. Det finns fortfarande en lång väg kvar innan en fullfjädrad kvantdator blir tillgänglig, men historien kan mycket väl upprepa sig. Forskningens nuvarande framsteg tyder på att initiala kvantprocessorer först kan realiseras med någon exotisk teknik. Men nu när vi har lärt oss att kisel kan användas för att effektivt koppla samman qubits, kvantframtiden kan vara gjord av kisel.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.