Kvantingenjörer från UNSW Sydney har tagit bort ett stort hinder som har stått i vägen för att kvantdatorer ska bli verklighet. De upptäckte en ny teknik som de säger kommer att kunna kontrollera miljontals spin-qubits - de grundläggande informationsenheterna i en kiselkvantprocessor.

Tills nu, kvantdatoringenjörer och forskare har arbetat med en proof-of-concept-modell av kvantprocessorer genom att demonstrera kontrollen av endast en handfull qubits.

Men med deras senaste forskning, publiceras idag i Vetenskapliga framsteg , teamet har hittat vad de anser vara "den saknade sticksågsbiten" i kvantdatorarkitekturen som borde möjliggöra kontroll av de miljontals qubits som behövs för utomordentligt komplexa beräkningar.

Dr Jarryd Pla, en fakultetsmedlem vid UNSW:s School of Electrical Engineering and Telecommunications säger att hans forskargrupp ville lösa problemet som hade stört kvantdatavetare i årtionden – hur man kontrollerar inte bara ett fåtal utan miljontals qubits utan att ta upp värdefullt utrymme med fler ledningar, som använder mer el och genererar mer värme.

"Fram till denna punkt, att kontrollera elektronspin-qubits förlitade sig på att vi levererade magnetiska mikrovågsfält genom att lägga en ström genom en tråd precis bredvid qubiten, " säger Dr. Pla.

"Detta innebär några verkliga utmaningar om vi vill skala upp till de miljontals qubits som en kvantdator kommer att behöva för att lösa globalt betydande problem, till exempel utformningen av nya vacciner.

"Till att börja med, magnetfälten försvinner väldigt snabbt med avstånd, så vi kan bara kontrollera de qubits som är närmast tråden. Det betyder att vi skulle behöva lägga till fler och fler kablar när vi tog in fler och fler qubits, som skulle ta upp mycket fastigheter på chipet."

Och eftersom chipet måste fungera vid iskalla temperaturer, under -270°C, Dr Pla säger att införandet av fler kablar skulle generera alldeles för mycket värme i chipet, stör qubitarnas tillförlitlighet.

"Så vi kommer tillbaka till att bara kunna kontrollera några få qubits med den här trådtekniken, " säger Dr. Pla.

Glödlampa ögonblick

Lösningen på detta problem innebar en fullständig omformning av kiselchipstrukturen.

Istället för att ha tusentals kontrollkablar på samma kiselchip i miniatyrstorlek som också måste innehålla miljontals qubits, teamet tittade på möjligheten att generera ett magnetfält ovanifrån chipet som kunde manipulera alla qubits samtidigt.

Denna idé om att kontrollera alla qubits samtidigt lades fram av kvantberäkningsforskare redan på 1990-talet, men hittills, ingen hade utarbetat ett praktiskt sätt att göra detta, tills nu.

"Först tog vi bort tråden bredvid qubitarna och kom sedan på ett nytt sätt att leverera magnetiska kontrollfält med mikrovågsfrekvens över hela systemet. Så i princip, vi kunde leverera kontrollfält till upp till fyra miljoner qubits, " säger Dr Pla.

Dr Pla och teamet introducerade en ny komponent direkt ovanför kiselchippet - ett kristallprisma som kallas en dielektrisk resonator. När mikrovågor riktas in i resonatorn, den fokuserar mikrovågornas våglängd ner till en mycket mindre storlek.

"Den dielektriska resonatorn krymper våglängden ner under en millimeter, så vi har nu en mycket effektiv omvandling av mikrovågseffekten till det magnetiska fältet som styr snurrandet av alla qubits.

"Det finns två viktiga innovationer här. Den första är att vi inte behöver lägga in mycket kraft för att få ett starkt drivfält för qubitarna, vilket avgörande betyder att vi inte genererar mycket värme. Den andra är att fältet är mycket enhetligt över chipet, så att miljontals qubits alla upplever samma nivå av kontroll."

Quantum team-up

Även om Dr. Pla och hans team hade utvecklat prototypresonatorteknologin, de hade inte kiselbitarna att testa det på. Så han pratade med sin ingenjörskollega vid UNSW, Scientia professor Andrew Dzurak, vars team under det senaste decenniet hade demonstrerat den första och mest exakta kvantlogiken med samma kiseltillverkningsteknik som används för att tillverka konventionella datorchips.

"Jag blev helt blåst när Jarryd kom till mig med sin nya idé, " Prof. Dzurak säger, "och vi började genast arbeta för att se hur vi kunde integrera det med qubit-chipsen som mitt team har utvecklat.

"Vi satte två av våra bästa doktorander på projektet, Ensar Vahapoglu från mitt team, och James Slack-Smith från Jarryd's.

"Vi blev överlyckliga när experimentet visade sig vara framgångsrikt. Det här problemet med hur man kontrollerar miljontals qubits hade oroat mig länge, eftersom det var en stor vägspärr för att bygga en fullskalig kvantdator."

En gång bara drömde om på 1980-talet, kvantdatorer som använder tusentals qubits för att lösa problem av kommersiell betydelse kan nu vara mindre än ett decennium bort. Bortom det, de förväntas tillföra ny eldkraft för att lösa globala utmaningar och utveckla ny teknik på grund av deras förmåga att modellera utomordentligt komplexa system.

Klimatförändring, läkemedels- och vaccindesign, koddekryptering och artificiell intelligens kommer alla att dra nytta av kvantberäkningsteknik.

Blickar framåt

Nästa, teamet planerar att använda denna nya teknik för att förenkla designen av kortsiktiga kvantprocessorer av kisel.

"Att ta bort kontrollkabeln på chipet frigör utrymme för ytterligare qubits och all annan elektronik som krävs för att bygga en kvantprocessor. Det gör uppgiften att gå till nästa steg att producera enheter med några tiotals qubits mycket enklare, " säger prof. Dzurak.

"Medan det finns tekniska utmaningar att lösa innan processorer med en miljon qubits kan tillverkas, vi är glada över det faktum att vi nu har ett sätt att kontrollera dem, " säger Dr Pla.