Квантовые инженеры из Университета Южного Уэльса в Сиднее устранили главное препятствие, которое мешало квантовым компьютерам стать реальностью. Они открыли новую технику, которая, по их словам, будет способна управлять миллионами спиновых кубитов — основными единицами информации в кремниевом квантовом процессоре.

До сих пор инженеры и ученые, занимающиеся квантовыми компьютерами, работали с экспериментальной моделью квантовых процессоров, демонстрируя управление лишь горсткой кубитов.

Но с их последними исследованиями, опубликованными сегодня в Science Advances , команда нашла то, что они считают «недостающим кусочком мозаики» в архитектуре квантового компьютера, который должен позволить контролировать миллионы кубитов, необходимых для чрезвычайно сложных вычислений.

Доктор Джаррид Пла, преподаватель Школы электротехники и телекоммуникаций UNSW, говорит, что его исследовательская группа хотела решить проблему, которая ставила ученых в тупик на протяжении десятилетий, — как управлять не только несколькими, но и миллионами кубитов, не занимая ценное пространство. с большим количеством проводов, которые потребляют больше электроэнергии и выделяют больше тепла.

«До этого момента управление электронными спиновыми кубитами зависело от того, что мы доставляем микроволновые магнитные поля, пропуская ток через провод рядом с кубитом. , — говорит доктор Пла.

«Это создает некоторые реальные проблемы, если мы хотим масштабироваться до миллионов кубитов, которые потребуются квантовому компьютеру для решения глобально значимых проблем, таких как разработка новых вакцин.

«Во-первых, магнитные поля очень быстро спадают с расстоянием, поэтому мы можем контролировать только те кубиты, которые находятся ближе всего к проводу. Это означает, что нам нужно будет добавлять все больше и больше проводов, поскольку мы вводим все больше и больше кубитов, что потребовало бы много недвижимости на чипе «.

А поскольку чип должен работать при низких температурах, ниже -270 ° C, доктор Пла говорит, что введение большего количества проводов приведет к слишком большому нагреву чипа, что снизит надежность кубитов.

«Таким образом, мы возвращаемся к возможности управлять только несколькими кубитами с помощью этой проводной техники», — говорит доктор Пла.

Момент лампочки

Решение этой проблемы включало полное переосмысление структуры кремниевого чипа.

Вместо того, чтобы иметь тысячи управляющих проводов на одном кремниевом чипе размером с миниатюру, который также должен содержать миллионы кубитов, команда изучила возможность создания магнитного поля над чипом, которое могло бы манипулировать всеми кубитами одновременно.

Идея одновременного управления всеми кубитами была впервые предложена учеными, занимающимися квантовыми вычислениями, еще в 1990-х годах, но до сих пор никто не разработал практического способа сделать это.

«Сначала мы удалили провод рядом с кубитами, а затем придумали новый способ доставки управляющих магнитных полей микроволнового диапазона по всей системе. Таким образом, в принципе, мы могли доставить управляющие поля до четырех миллионов кубитов», — говорит доктор Pla.

Доктор Пла и его команда представили новый компонент непосредственно над кремниевым кристаллом — кристаллическую призму, называемую диэлектрическим резонатором. Когда микроволны направляются в резонатор, он фокусирует длину волны микроволн до гораздо меньшего размера.

«Диэлектрический резонатор сокращает длину волны до менее одного миллиметра, поэтому теперь у нас есть очень эффективное преобразование микроволновой энергии в магнитное поле, которое контролирует спины всех кубитов.

«Здесь есть два ключевых нововведения. Первое заключается в том, что нам не нужно вкладывать много энергии, чтобы получить сильное движущее поле для кубитов, что, в конечном итоге, означает, что мы не выделяем много тепла. поле очень однородно по всему чипу, так что все миллионы кубитов испытывают одинаковый уровень контроля ».

Квантовая команда

Хотя доктор Пла и его команда разработали прототип резонаторной технологии, у них не было кремниевых кубитов для тестирования. Поэтому он поговорил со своим коллегой-инженером из UNSW, профессором Scientia Эндрю Дзураком, команда которого за последнее десятилетие продемонстрировала первую и наиболее точную квантовую логику, используя ту же технологию производства кремния, которая используется для изготовления обычных компьютерных микросхем.

«Я был совершенно потрясен, когда Джаррид пришел ко мне со своей новой идеей, — говорит профессор Дзурак, — и мы сразу же приступили к работе, чтобы посмотреть, как мы можем интегрировать ее с кубитными чипами, разработанными моей командой.

«Мы привлекли к проекту двух наших лучших аспирантов — Энсара Вахапоглу из моей команды и Джеймса Слэк-Смита из Jarryd’s.

«Мы были вне себя от радости, когда эксперимент оказался успешным. Эта проблема, как управлять миллионами кубитов, беспокоила меня в течение долгого времени, поскольку это было основным препятствием на пути к созданию полномасштабного квантового компьютера».

О квантовых компьютерах, использующих тысячи кубитов для решения задач коммерческого значения, о которых когда-то мечтали только в 80-е годы, может потребоваться менее десяти лет. Помимо этого, ожидается, что они привнесут новую огневую мощь в решение глобальных проблем и разработку новых технологий благодаря своей способности моделировать чрезвычайно сложные системы.

Изменение климата, разработка лекарств и вакцин, расшифровка кода и искусственный интеллект — все это выиграет от технологии квантовых вычислений.

Взгляды вперед

Затем команда планирует использовать эту новую технологию для упрощения проектирования кремниевых квантовых процессоров в ближайшем будущем.

«Удаление встроенного управляющего провода освобождает место для дополнительных кубитов и всей другой электроники, необходимой для создания квантового процессора. Это значительно упрощает задачу перехода к следующему этапу производства устройств с несколькими десятками кубитов», — говорит Проф. Дзурак.

«Хотя есть инженерные задачи, которые необходимо решить, прежде чем можно будет создать процессоры с миллионом кубитов, мы очень рады тому факту, что теперь у нас есть способ их контролировать», — говорит д-р Пла.