Effektiv kvantberäkning förväntas möjliggöra framsteg som är omöjliga med klassiska datorer. Forskare från Japan och Sydney har samarbetat och föreslagit en ny tvådimensionell design som kan konstrueras med hjälp av befintlig integrerad kretsteknik. Denna design löser typiska problem inför den nuvarande tredimensionella förpackningen för uppskalade kvantdatorer, föra framtiden ett steg närmare.

Kvantdatorer blir alltmer i fokus för forskare inom områden som fysik och kemi, och industriister inom läkemedlet, flygplan, och bilindustrin. Globalt sett forskningslaboratorier på företag som Google och IBM lägger stora resurser på att förbättra kvantdatorer, och med god anledning. Kvantdatorer använder kvantmekanikens grunder för att bearbeta betydligt större mängder information mycket snabbare än klassiska datorer. Det förväntas att när felkorrigerad och feltolerant kvantberäkning uppnås, vetenskapliga och tekniska framsteg kommer att ske i en aldrig tidigare skådad skala.

Men att bygga kvantdatorer för storskalig beräkning visar sig vara en utmaning när det gäller deras arkitektur. Grundenheterna i en kvantdator är "kvantbitar" eller "qubits". Dessa är vanligtvis atomer, joner, fotoner, subatomära partiklar som elektroner, eller ännu större element som samtidigt finns i flera tillstånd, gör det möjligt att snabbt få flera potentiella resultat för stora datamängder. Det teoretiska kravet för kvantdatorer är att dessa är arrangerade i tvådimensionella (2-D) matriser, där varje qubit både är kopplad till sin närmaste granne och ansluten till nödvändiga externa styrledningar och enheter. När antalet qubits i en array ökas, det blir svårt att nå qubits i matrisens inre från kanten. Behovet av att lösa detta problem har hittills resulterat i komplexa tredimensionella (3-D) ledningssystem över flera plan där många trådar skär varandra, vilket gör deras konstruktion till en betydande teknisk utmaning.

En grupp forskare från Tokyo University of Science, Japan, RIKEN Center for Emergent Matter Science, Japan, och tekniska universitet, Sydney, ledd av prof Jaw-Shen Tsai, föreslår en unik lösning på detta qubit -tillgänglighetsproblem genom att modifiera qubit -arrayens arkitektur. "Här, vi löser detta problem och presenterar en modifierad supraledande mikroarkitektur som inte kräver någon 3D-extern linjeteknik och återgår till en helt plan design, "skriver de. Studien har publicerats i New Journal of Physics .

Forskarna började med en qubit square gitter array och sträckte ut varje kolumn i 2-D-planet. De veckade sedan varje på varandra följande kolumn ovanpå varandra, bilda en dubbel endimensionell array som kallas en bilinjär array. Detta satte alla qubits på kanten och förenklade arrangemanget av det nödvändiga ledningssystemet. Systemet är 2-D. I denna nya arkitektur, några av inter-qubit-ledningarna-varje qubit är också ansluten till alla intilliggande qubits i en array-överlappar varandra, men eftersom dessa är de enda överlappningarna i ledningarna, enkla lokala 3D-system som flygbroar vid överlappningspunkten är tillräckligt och systemet är totalt sett kvar i 2-D. Som du kan föreställa dig, detta förenklar konstruktionen avsevärt.

Forskarna utvärderade genomförbarheten av detta nya arrangemang genom numerisk och experimentell utvärdering där de testade hur mycket av en signal som behölls före och efter att den passerade genom en flygbro. Resultaten av båda utvärderingarna visade att det är möjligt att bygga och köra detta system med hjälp av befintlig teknik och utan något 3D-arrangemang.

Forskarnas experiment visade också att deras arkitektur löser flera problem som plågar 3D-strukturerna:De är svåra att konstruera, det finns överhörning eller signalstörning mellan vågor som överförs över två ledningar, och qubits bräckliga kvanttillstånd kan försämras. Den nya pseudo-2-D-designen minskar antalet gånger trådar korsar varandra, därigenom minskar överhörningen och ökar följaktligen systemets effektivitet.

I en tid då stora laboratorier världen över försöker hitta sätt att bygga storskaliga feltoleranta kvantdatorer, resultaten av denna spännande nya studie tyder på att sådana datorer kan byggas med befintlig 2-D integrerad kretsteknik. "Kvantdatorn är en informationsenhet som förväntas överstiga möjligheterna hos moderna datorer, "Säger Tsai. Forskningen i denna riktning har bara börjat med denna studie, och Prof Tsai avslutar med att säga, "Vi planerar att bygga en småskalig krets för att ytterligare undersöka och utforska möjligheten."