Forskare och ingenjörer vid University of Sydney och Microsoft Corporation har inlett nästa kapitel i kvantteknologi med uppfinningen av ett enda chip som kan generera styrsignaler för tusentals qubits, byggstenarna i kvantdatorer.

"För att inse potentialen med kvantberäkning, maskiner kommer att behöva driva tusentals om inte miljontals qubits, sa professor David Reilly, en designer av chipet som har en gemensam position med Microsoft och University of Sydney.

"Världens största kvantdatorer fungerar för närvarande med bara 50 eller så qubits, ", sa han. "Denna lilla skala beror delvis på begränsningar för den fysiska arkitekturen som styr qubits."

"Vårt nya chip sätter stopp för dessa gränser."

Resultaten har publicerats i Naturelektronik .

De flesta kvantsystem kräver kvantbitar, eller qubits, att arbeta vid temperaturer nära absolut noll (-273,15 grader). Detta för att förhindra att de tappar sin "kvantitet", karaktären av materia eller ljus som kvantdatorer behöver för att utföra sina specialiserade beräkningar.

För att kvantenheter ska göra något användbart, de behöver instruktioner. Det innebär att skicka och ta emot elektroniska signaler till och från qubits. Med nuvarande kvantarkitektur, som involverar många ledningar.

"Nuvarande maskiner skapar en vacker uppsättning ledningar för att styra signalerna; de ser ut som ett omvänt förgyllt fågelbo eller ljuskrona. De är vackra, men i grunden opraktisk. Det betyder att vi inte kan skala upp maskinerna för att utföra användbara beräkningar. Det finns en verklig input-output flaskhals, sade professor Reilly, också en chefsutredare vid ARC Center for Engineered Quantum Systems (EQUS) .

Microsoft Senior hårdvaruingenjör, Dr Kushal Das, en gemensam uppfinnare av chipet, sa:"Vår enhet tar bort alla dessa kablar. Med bara två ledningar som bär information som indata, den kan generera styrsignaler för tusentals qubits.

"Detta förändrar allt för kvantberäkning."

Kontrollchippet utvecklades vid Microsoft Quantum Laboratories vid University of Sydney, ett unikt industri-akademiskt partnerskap som förändrar hur forskare hanterar tekniska utmaningar.

"Att bygga en kvantdator är kanske den mest utmanande ingenjörsuppgiften under 2000-talet. Detta kan inte uppnås genom att arbeta med ett litet team i ett universitetslaboratorium i ett enda land, utan behöver den skala som en global teknikjätte som Microsoft erbjuder, " sa professor Reilly.

"Genom vårt partnerskap med Microsoft, vi har inte bara föreslagit en teoretisk arkitektur för att övervinna input-output flaskhalsen, vi har byggt den.

"Vi har visat detta genom att designa ett anpassat kiselchip och koppla det till ett kvantsystem, " sa han. "Jag är säker på att säga att detta är den mest avancerade integrerade kretsen som någonsin byggts för att fungera vid djupa kryogena temperaturer."

Om det inses, kvantdatorer lovar att revolutionera informationsteknologin genom att lösa problem utanför klassiska datorers räckvidd inom så olika områden som kryptografi, medicin, finansiera, artificiell intelligens och logistik.

Effektbudget

Kvantdatorer befinner sig i ett liknande stadium som klassiska datorer var på 1940-talet. Maskiner som ENIAC, världens första elektroniska dator, nödvändiga rum med styrsystem för att uppnå någon användbar funktion.

Det har tagit decennier att övervinna de vetenskapliga och tekniska utmaningarna som nu gör det möjligt för miljarder transistorer att passa in i din mobiltelefon.

"Vår bransch står inför kanske ännu större utmaningar för att ta kvantberäkningar bortom ENIAC-stadiet, " sa professor Reilly.

"Vi måste konstruera mycket komplexa kiselchips som arbetar vid 0,1 Kelvin, ", sa han. "Det är en miljö som är 30 gånger kallare än rymden."

Dr Sebastian Paukas doktorandforskning vid University of Sydney omfattade mycket av arbetet med att koppla samman kvantenheter med chippet. Han sa:"Att arbeta vid så kalla temperaturer betyder att vi har en otroligt låg energibudget. Om vi ​​försöker lägga mer kraft i systemet, vi överhettar det hela."

För att uppnå sitt resultat, forskarna vid Sydney och Microsoft byggde den mest avancerade integrerade kretsen för att fungera vid kryogena temperaturer.

"Vi har gjort detta genom att konstruera ett system som fungerar i nära anslutning till qubits utan att störa deras verksamhet, " sa professor Reilly.

"Nuvarande styrsystem för qubits tas bort meter från handlingen, så att säga. De finns mest i rumstemperatur.

"I vårt system behöver vi inte lossna från den kryogena plattformen. Chipet är där med qubits. Detta innebär lägre effekt och högre hastigheter. Det är ett riktigt kontrollsystem för kvantteknologi."

År av ingenjörskonst

"Att ta reda på hur man styr dessa enheter tar år av teknisk utveckling, ", sa professor Reilly. "För den här enheten startade vi för fyra år sedan när University of Sydney inledde sitt partnerskap med Microsoft, som representerar den enskilt största investeringen i kvantteknologi i Australien.

"Vi byggde massor av modeller och designbibliotek för att fånga upp beteendet hos transistorer vid djupa kryogena temperaturer. Sedan var vi tvungna att bygga enheter, få dem verifierade, karakteriseras och slutligen koppla dem till qubits för att se dem fungera i praktiken."

Rektor och rektor vid University of Sydney, Professor Stephen Garton, sa:"Hela universitetsgemenskapen är stolta över professor Reillys framgång och vi ser fram emot många år av fortsatt partnerskap med Microsoft."

Professor Reilly sa att området nu har förändrats i grunden. "Det handlar inte bara om 'här är min qubit'. Det handlar om hur du bygger alla lager och all teknik för att bygga en riktig maskin.

"Vårt partnerskap med Microsoft tillåter oss att arbeta med akademisk noggrannhet, med fördelen att se våra resultat snabbt omsättas i praktiken."

Biträdande rektor (forskning), Professor Duncan Ivison, sa:"Vårt partnerskap med Microsoft har handlat om att förverkliga David Reillys inspirerade vision för att möjliggöra kvantteknologi. Det är fantastiskt att se den visionen bli verklighet."

Professor Reilly sa:"Om vi ​​enbart hade stannat kvar i akademin skulle detta chip aldrig ha byggts."

Den australiensiska vetenskapsmannen sa att han inte stannar där.

"Vi har precis börjat på denna nya våg av kvantinnovation, " sa han. "Det fantastiska med partnerskapet är att vi inte bara publicerar en tidning och går vidare. Vi kan nu fortsätta med ritningen för att realisera kvantteknologi i industriell skala."