Forskare vid universiteten i Melbourne och Manchester har uppfunnit en banbrytande teknik för att tillverka högrenat kisel som tar kraftfulla kvantdatorer ett stort steg närmare.
Den nya tekniken för att konstruera ultrarent kisel gör det till det perfekta materialet för att tillverka kvantdatorer i stor skala och med hög noggrannhet, säger forskarna.
Projektets medhandledare professor David Jamieson, från University of Melbourne, sa att innovationen, publicerad i Communications Materials , använder qubits av fosforatomer implanterade i kristaller av rent stabilt kisel och skulle kunna övervinna en kritisk barriär för kvantberäkning genom att förlänga varaktigheten av notoriskt bräcklig kvantkoherens.
"Bräcklig kvantkoherens innebär att beräkningsfel byggs upp snabbt. Med robust koherens som tillhandahålls av vår nya teknik kan kvantdatorer på timmar eller minuter lösa vissa problem som skulle ta konventionella eller "klassiska" datorer – till och med superdatorer – århundraden, säger professor Jamieson.
Kvantbitar eller qubitar - byggstenarna i kvantdatorer - är känsliga för små förändringar i sin miljö, inklusive temperaturfluktuationer. Även när de används i lugna kylskåp nära den absoluta nollpunkten (minus 273 grader Celsius) kan nuvarande kvantdatorer bibehålla felfri koherens för bara en liten bråkdel av en sekund.
University of Manchester medhandledare professor Richard Curry sa att ultrarent kisel tillåter konstruktion av högpresterande qubit-enheter – en kritisk komponent som krävs för att bana väg mot skalbara kvantdatorer.
"Vad vi har kunnat göra är att effektivt skapa en kritisk "tegelsten" som behövs för att konstruera en kiselbaserad kvantdator. Det är ett avgörande steg för att göra en teknik som har potential att vara transformativ för mänskligheten, säger professor Curry.
Huvudförfattaren Ravi Acharya, en gemensam University of Manchester/University of Melbourne Cookson Scholar, sa att den stora fördelen med kvantberäkning av kiselchips var att den använde samma viktiga tekniker som gör de chips som används i dagens datorer.
"Elektroniska kretsar i en daglig dator består för närvarande av miljarder transistorer – dessa kan också användas för att skapa qubits för kiselbaserade kvantenheter. Möjligheten att skapa högkvalitativa kisel-qubits har hittills delvis begränsats av kislets renhet. utgångsmaterial som används. Den banbrytande renhet vi visar här löser detta problem."
Professor Jamieson sa att de nya högrenade datorchipsen av kisel rymmer och skyddar qubits så att de kan upprätthålla kvantkoherens mycket längre, vilket möjliggör komplexa beräkningar med kraftigt minskat behov av felkorrigering.
"Vår teknik öppnar vägen till pålitliga kvantdatorer som lovar stegvisa förändringar i hela samhället, inklusive inom artificiell intelligens, säker data och kommunikation, vaccin- och läkemedelsdesign och energianvändning, logistik och tillverkning," sade han.
Kisel – tillverkat av strandsand – är nyckelmaterialet för dagens informationsteknologiindustri eftersom det är en riklig och mångsidig halvledare:Den kan fungera som en ledare eller en isolator för elektrisk ström, beroende på vilka andra kemiska element som tillsätts den.
"Andra experimenterar med alternativ, men vi tror att kisel är den ledande kandidaten för kvantdatorchips som kommer att möjliggöra den bestående koherens som krävs för tillförlitliga kvantberäkningar," sa professor Jamieson.
"Problemet är att även om naturligt förekommande kisel mestadels är den önskvärda isotopen kisel-28, så finns det också cirka 4,5 procent kisel-29. Kisel-29 har en extra neutron i varje atoms kärna som fungerar som en liten oseriös magnet, som förstör kvantkoherens och skapa datorfel", sa han.
Forskarna riktade en fokuserad, höghastighetsstråle av rent kisel-28 mot ett kiselchip så att kisel-28 gradvis ersatte kisel-29-atomerna i chipet, vilket minskade kisel-29 från 4,5 % till två delar per miljon (0,0002 procent) ).
"Den fantastiska nyheten är att rena kisel till den här nivån, vi kan nu använda en standardmaskin - en jonimplantatör - som du kan hitta i vilket halvledartillverkningslaboratorium som helst, avstämd till en specifik konfiguration som vi designat," sa professor Jamieson.
I tidigare publicerad forskning med ARC Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology, satte University of Melbourne – och håller fortfarande – världsrekordet för en-qubit-koherens på 30 sekunder med kisel som var mindre renat. Trettio sekunder är gott om tid för att utföra felfria, komplexa kvantberäkningar.
Professor Jamieson sa att de största befintliga kvantdatorerna hade mer än 1 000 qubits, men fel inträffade inom millisekunder på grund av förlorad koherens.
"Nu när vi kan producera extremt rent kisel-28 blir vårt nästa steg att visa att vi kan upprätthålla kvantkoherens för många qubits samtidigt. En pålitlig kvantdator med bara 30 qubits skulle överträffa kraften hos dagens superdatorer för vissa applikationer," sa han.
En rapport från 2020 från Australiens CSIRO uppskattade att kvantberäkningar i Australien har potential att skapa 10 000 jobb och 2,5 miljarder dollar i årliga intäkter till 2040.
"Vår forskning tar oss betydligt närmare att förverkliga denna potential," sa professor Jamieson.
Mer information: Mycket 28Si-berikat kisel genom lokal fokuserad jonstråleimplantation, Kommunikationsmaterial (2024). DOI:10.1038/s43246-024-00498-0
Journalinformation: Kommunikationsmaterial
Tillhandahålls av University of Melbourne
