До сих пор инженеры и ученые по квантовым компьютерам работали с экспериментальной моделью квантовых процессоров, демонстрируя контроль лишь нескольких кубитов.
Но в своем последнем исследовании, опубликованном 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 контролировать не только несколько, но и миллионы кубитов, не занимая ценного пространства. с большим количеством проводов, потреблением большего количества электроэнергии и выработкой большего количества 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 масштабировать до миллионов кубитов, которые потребуются квантовому компьютеру для решения глобально значимых проблем, таких как разработка новых вакцин.
"Во-первых, магнитные поля очень быстро падают 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 займет много места 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 – до сих пор.
«Сначала мы удалили провод рядом с кубитами, а затем придумали новый способ доставки магнитных полей сверхвысокой частоты по всей системе. Таким образом, в принципе, мы могли бы предоставить поля управления до четырех миллионов кубитов », – говорит д-р Пла.
Доктор Пла и его команда представили новый компонент прямо 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.
Во-первых, нам не нужно вкладывать много энергии, чтобы получить сильное движущее поле для кубитов, что, в конечном итоге, означает, что мы не выделяем много тепла. Во-вторых, 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 технологии резонатора, у них не было кремниевых кубитов, на которых можно было бы протестировать его.
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 полностью потрясен, когда Джаррид пришел ко мне со своей новой идеей», – сказал проф. Дзурак говорит: «И мы сразу же приступили к работе, чтобы посмотреть, как мы можем интегрировать его с чипами кубитов, которые разработала моя команда.
"Мы привлекли к проекту двух наших лучших аспирантов: Энсара Вахапоглу из моей команды и Джеймса Слэк-Смита из Jarryd’s.
"Мы обрадовались, когда эксперимент оказался успешным. Проблема того, как управлять миллионами кубитов, беспокоила меня долгое время, поскольку она была 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 1980-х, может потребоваться менее десяти лет.
Кроме того, 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.
Смотря 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 доктор Пла.