En ny studie beskriver behovet av materialframsteg i hårdvaran som används för att tillverka kvantdatorer om dessa futuristiska enheter ska överträffa förmågan hos de datorer vi använder idag.

Studien, publiceras i tidskriften Vetenskap av ett internationellt team, undersökte läget för forskningen om kvantberäkningshårdvara med målet att illustrera de utmaningar och möjligheter som forskare och ingenjörer står inför.

Medan konventionella datorer kodar "bitar" av information som ettor och nollor, kvantdatorer briser sig förbi detta binära arrangemang genom att skapa 'qubits, som kan vara komplicerat, kontinuerliga mängder. Att lagra och manipulera information i denna exotiska form - och i slutändan nå "kvantfördel" där kvantdatorer gör saker som konventionella datorer inte kan - kräver sofistikerad kontroll av det underliggande materialet.

"Det har skett en explosion i utvecklingen av kvantteknologier under de senaste 20 åren, sa Nathalie de Leon, biträdande professor i el- och datorteknik vid Princeton University och huvudförfattaren till artikeln, "kulminerar i nuvarande ansträngningar att visa kvantfördelar för en mängd olika uppgifter, från beräkning och simulering till nätverkande och avkänning."

Tills nyligen, det mesta av detta arbete har syftat till att demonstrera proof-of-principe kvantenheter och processorer, sa de Leon, men nu är fältet redo att ta itu med verkliga utmaningar.

"Precis som klassisk datorhårdvara blev ett enormt område inom materialvetenskap och ingenjörskonst under förra seklet, Jag tror att kvantteknikområdet nu är moget för ett nytt tillvägagångssätt, där materialforskare, apotek, enhetsingenjörer och andra vetenskapsmän och ingenjörer kan på ett produktivt sätt ta sin expertis för att ta itu med problemet."

Uppsatsen är en uppmaning till forskare som studerar material för att ta sig an utmaningen att utveckla hårdvara för kvantdatorer, sa Hanhee Paik, motsvarande författare och en forskningsanställd på IBM Quantum.

"Framstegen inom kvantberäkningsteknik har accelererat de senaste åren både inom forskning och industri, " Sa Paik. "För att fortsätta gå framåt under nästa decennium, vi kommer att behöva framsteg inom material och tillverkningsteknik för kvantberäkningshårdvara – på ett liknande sätt som hur klassisk datoranvändning utvecklades i mikroprocessorskalning. Genombrott sker inte över en natt, och vi hoppas att fler människor i materialgemenskapen kommer att börja arbeta med kvantberäkningsteknik. Vårt papper skrevs för att ge materialgemenskapen en heltäckande översikt över var vi är i materialutveckling inom kvantberäkning med expertutlåtanden från fältet."

I hjärtat av kvantdatorer finns qubits, som samverkar för att få fram resultat.

Dessa qubits kan göras på olika sätt, med de ledande teknologierna är supraledande qubits, qubits gjorda av att fånga joner med ljus, qubits gjorda av kiselmaterial som finns i dagens datorer, qubits fångade i "färgcentra" i diamanter med hög renhet, och topologiskt skyddade qubits representerade i exotiska subatomära partiklar. Uppsatsen analyserade de viktigaste tekniska utmaningarna i samband med vart och ett av dessa material och föreslår strategier för att ta itu med dessa problem.

Forskare hoppas att en eller flera av dessa plattformar så småningom kommer att gå vidare till det stadium där kvantberäkning kan lösa problem som dagens maskiner finner omöjliga, som att modellera beteenden hos molekyler och tillhandahålla säker elektronisk kryptering.

"Jag tror att [det här dokumentet] är första gången som den här typen av heltäckande bild har sammanställts. Vi prioriterade att "visa vårt arbete, ' och förklarar resonemanget bakom den mottagna visdomen för varje hårdvaruplattform, " sa de Leon. "Vår förhoppning är att detta tillvägagångssätt kommer att göra det möjligt för nya aktörer på området att hitta sätt att göra en stor insats."

De tio medförfattarna kommer från forskningsinstitutioner runt om i världen samt IBM T. J. Watson Research Center, som har en stor kvantdatorforskningsgrupp. Forskarna träffades under ett symposium om material för kvantberäkningar sponsrat av IBM Quantum och Kavli Foundation och som hölls på Materials Research Society Fall Meeting 2019. De tillbringade sedan mycket av sin tid under pandemins vistelse-att-hem-period förra året med att utveckla denna granskningspapper.

"Det var en fantastisk upplevelse att arbeta med en grupp med så varierande expertis, och en hel del av vår aktivitet involverade att ställa tuffa frågor till varandra om varför vi trodde på de saker vi gjorde om våra respektive materialplattformar, sa de Leon, vars forskning utnyttjar brister i diamantmaterial för att möjliggöra kommunikation mellan noder i ett framtida kvantinternet.