Förra året, Google tillverkade en kvantdator på 53 qubit som kunde utföra en specifik beräkning betydligt snabbare än världens snabbaste superdator. Liksom de flesta av dagens största kvantdatorer, detta system har tiotals qubits - kvantmotparterna till bitar, som kodar information i konventionella datorer.

För att skapa större och mer användbara system, de flesta av dagens prototyper måste övervinna utmaningarna med stabilitet och skalbarhet. Det senare kommer att kräva att tätheten för signalering och ledningar ökar, vilket är svårt att göra utan att försämra systemets stabilitet. Jag tror att ett nytt kretskopplingsschema som utvecklats under de senaste tre åren av RIKENs Superconducting Quantum Electronics Research Team, i samarbete med andra institut, öppnar dörren till att skala upp till 100 eller fler qubits under det kommande decenniet. Här, Jag diskuterar hur.

Utmaning ett:Skalbarhet

Kvantdatorer bearbetar information med hjälp av känsliga och komplexa interaktioner baserade på principerna för kvantmekanik. För att förklara detta ytterligare måste vi förstå qubits. En kvantdator är byggd av individuella qubits, som är analoga med de binära bitarna som används i konventionella datorer. Men i stället för noll eller ett binärt tillstånd av lite, en qubit behöver upprätthålla ett mycket bräckligt kvanttillstånd. Istället för att bara vara noll eller en, qubits kan också vara i ett tillstånd som kallas en superposition - där de är i ett tillstånd av både noll och ett samtidigt. Detta tillåter kvantdatorer baserade på qubits att bearbeta data parallellt för varje möjligt logiskt tillstånd, noll eller en, och de kan därmed prestera mer effektivt, och därmed snabbare, beräkningar än konventionella datorer baserade på bitar för särskilda typer av problem.

Dock, det är mycket svårare att skapa en qubit än en konventionell bit, och full kontroll över det kvantmekaniska beteendet hos en krets behövs. Forskare har kommit på några sätt att göra detta med viss tillförlitlighet. På RIKEN, en supraledande krets med ett element som kallas en Josephson-korsning används för att skapa en användbar kvantmekanisk effekt. På det här sättet, qubits kan nu produceras pålitligt och upprepade gånger med nanofabricationstekniker som vanligtvis används i halvledarindustrin.

Utmaningen med skalbarhet beror på det faktum att varje qubit sedan behöver ledningar och anslutningar som producerar kontroller och avläsningar med minimal överhörning. När vi flyttade förbi små två-två-två eller fyra-fyra-fyra matriser med qubits, vi har insett hur tätt de tillhörande ledningarna kan packas, och vi har varit tvungna att skapa bättre system och tillverkningsmetoder för att undvika att våra trådar korsas, bokstavligen.

På RIKEN, vi har byggt en fyra-fyra-rad med qubits med hjälp av vårt eget kopplingsschema, där anslutningarna till varje qubit görs vertikalt från baksidan av ett chip, snarare än ett separat "flip chip" -gränssnitt som används av andra grupper som leder ledningsplattorna till kanterna på ett kvantchip. Detta innebär en viss sofistikerad tillverkning med en tät uppsättning supraledande vias (elektriska anslutningar) genom ett kiselchip, men det borde göra det möjligt för oss att skala upp till mycket större enheter. Vårt team arbetar mot en 64-qubit enhet, som vi hoppas ha inom de närmaste tre åren. Detta kommer att följas av en 100-qubit-enhet om ytterligare fem år som en del av ett nationellt finansierat forskningsprogram. Denna plattform bör i slutändan tillåta upp till en 1, 000 qubits som ska integreras på ett enda chip.

Utmaning två:Stabilitet

Den andra stora utmaningen för kvantdatorer är hur man hanterar qubits inneboende sårbarhet för fluktuationer eller brus från yttre krafter som temperatur. För att en qubit ska fungera, det måste hållas i ett tillstånd av kvantöverlagring, eller "kvant koherens". I början av superledande qubits, vi kan få detta tillstånd att hålla i bara nanosekunder. Nu, genom att kyla kvantdatorer till kryogena temperaturer och skapa flera andra miljökontroller, vi kan upprätthålla sammanhang i upp till 100 mikrosekunder. Några hundra mikrosekunder skulle göra det möjligt för oss att utföra några tusen informationsbehandlingsoperationer, i genomsnitt, innan sammanhanget försvinner.

I teorin, ett sätt att hantera instabilitet är att använda kvantfelkorrigering, där vi utnyttjar flera fysiska qubits för att koda en enda "logisk qubit, "och tillämpa ett felkorrigeringsprotokoll som kan diagnostisera och åtgärda fel för att skydda den logiska qubit. Men att inse detta är fortfarande långt borta av många skäl, inte minst är problemet med skalbarhet.

Kvantkretsar

Sedan 1990 -talet har innan kvantberäkning blev en stor grej. När jag började, Jag var intresserad av om mitt team kunde skapa och mäta kvantöverlagringstillstånd inom elektriska kretsar. Just då, det var inte alls uppenbart om elektriska kretsar som helhet skulle kunna bete sig kvantemekaniskt. För att realisera en stabil qubit i en krets och skapa till- och frånlägen i kretsen, kretsen behövde också kunna stödja ett superpositionstillstånd.

Så småningom kom vi på idén att använda en supraledande krets. Det supraledande tillståndet är fritt från allt elektrisk motstånd och förluster, och så är det strömlinjeformat att reagera på små kvantmekaniska effekter. För att testa denna krets, vi använde en mikroskala supraledande ö av aluminium, som var ansluten till en större supraledande markelektrod via en Josephson-korsning-en korsning åtskild av en nanometertjock isolerande barriär-och vi fångade superledande elektronpar som tunnlade över korsningen. På grund av aluminiumöns litenhet, det kan rymma högst ett överskottspar på grund av en effekt som kallas Coulomb -blockad mellan negativt laddade par. Tillstånden med noll eller ett överflödigt par på ön kan användas som tillstånd för en qubit. Den kvantmekaniska tunneln upprätthåller qubits koherens och tillåter oss att skapa en superposition av staterna, som är helt styrd med mikrovågspulser.

Hybridsystem

På grund av deras mycket känsliga natur, kvantdatorer kommer sannolikt inte att finnas i hem inom en snar framtid. Dock, erkänner de stora fördelarna med forskningsorienterade kvantdatorer, industrijättar som Google och IBM, liksom många nystartade företag och akademiska institut runt om i världen, investerar alltmer i forskning.

En kommersiell kvantberäkningsplattform med fullständig felkorrigering är förmodligen fortfarande mer än ett decennium borta, men toppmodern teknisk utveckling leder redan till möjligheten till ny vetenskap och tillämpningar. Kvantkretsar i mindre skala utför redan användbara uppgifter i labbet.

Till exempel, vi använder vår supraledande kvantkretsplattform i kombination med andra kvantmekaniska system. Detta hybridkvantsystem tillåter oss att mäta en enda kvantreaktion inom kollektiva excitationer - vare sig det är precessioner av elektronspinn i en magnet, kristallgitter vibrationer i ett substrat, eller elektromagnetiska fält i en krets - med en aldrig tidigare skådad känslighet. Dessa mätningar bör främja vår förståelse av kvantfysik, och med det kvantberäkning. Vårt system är också tillräckligt känsligt för att mäta en enda foton vid mikrovågsfrekvenser, vars energi är ungefär fem storleksordningar lägre än den för ett synligt ljusfoton, utan att absorbera eller förstöra det. Förhoppningen är att detta ska fungera som en byggsten för kvantnätverk som ansluter avlägsna qubit -moduler, bland annat.

Quantum internet

Att ansluta en superledande kvantdator till ett optiskt kvantkommunikationsnätverk är en annan framtida utmaning för vårt hybridsystem. Detta skulle utvecklas i väntan på en framtid som inkluderar ett kvantinternet anslutet med optisk ledning som påminner om dagens internet. Dock, även en enda foton infrarött ljus vid en telekommunikationsvåglängd kan inte direkt träffa en superledande qubit utan att störa kvantinformationen, så noggrann design är ett måste. Vi undersöker för närvarande hybridkvantsystem som överför kvantsignaler från en superledande qubit till en infraröd foton, och vice versa, via andra kvantsystem, till exempel en som involverar en liten akustisk oscillator.

Även om många komplexa frågor måste övervinnas, forskare kan se en framtid förbättras av kvantdatorer i horisonten. Faktiskt, kvantvetenskap är redan i våra händer varje dag. Transistorer och laserdioder skulle aldrig ha uppfunnits utan en korrekt förståelse av elektronernas egenskaper i halvledare, som helt bygger på att förstå kvantmekanik. Så genom smarta telefoner och internet, vi är redan helt beroende av kvantmekanik, och vi kommer bara att bli fler i framtiden.