Команда инженеров UNSW изобрела радикально новую архитектуру для квантовых вычислений , основанную на новых «кубитах с триггерами», которые обещают значительно сократить производство крупномасштабных квантовых чипов.
Новый дизайн чипа, подробно описанный в журнале Nature Communications , позволяет использовать кремниевый квантовый процессор, который можно масштабировать без точного размещения атомов, требуемого в других подходах. Важно отметить, что он позволяет размещать квантовые биты (или «кубиты») — базовую единицу информации в квантовом компьютере — на расстоянии сотен нанометров и при этом оставаться связанными.
Проект был задуман командой во главе с Андреа Морелло, руководителем программы в Центре передовых технологий ARC для квантовых вычислений и коммуникаций (CQC2T) при UNSW, который сказал, что изготовление нового дизайна должно быть легко доступно современной технологии.
Ведущий автор Гильерме Този, научный сотрудник CQC2T, разработал новаторскую концепцию вместе с Морелло и соавторами Фахдом Мохияддином, Вивьен Шмитт и Стефани Тенберг из CQC2T с сотрудниками Раджибом Рахманом и Герхардом Климеком из Университета Пердью в США.
«Это блестящий дизайн, и, как и многие подобные концептуальные скачки, удивительно, что никто не думал об этом раньше», — сказал Морелло.
«То, что Гильерме и команда изобрели, — это новый способ определения« спинового кубита », в котором используются как электрон, так и ядро атома . Важно отметить, что этим новым кубитом можно управлять с помощью электрических сигналов вместо магнитных. Электрические сигналы значительно легче распространять и локализовать в электронном чипе ».
Тоси сказал, что дизайн обходит проблему, с которой должны были столкнуться все кремниевые кубиты на основе спина, поскольку команды начинают создавать все большие и большие массивы кубитов: необходимость размещать их на расстоянии всего 10-20 нанометров, или всего 50 атомов друг от друга.
«Если они расположены слишком близко или слишком далеко друг от друга,« запутывание »между квантовыми битами — что делает квантовые компьютеры такими особенными — не происходит», — сказал Този.
Морелло сказал, что исследователи из UNSW уже лидируют в мире по созданию спин-кубитов такого масштаба. «Но если мы хотим создать массив из тысяч или миллионов кубитов так близко друг к другу, это означает, что все контрольные линии, управляющая электроника и устройства считывания также должны быть изготовлены в таком нанометрическом масштабе, с этой высотой и такой плотностью электродов. Эта новая концепция предлагает другой путь ».
На другом конце спектра находятся сверхпроводящие цепи, преследуемые, например, IBM и Google, и ионные ловушки. Эти системы большие и их легко изготовить, и в настоящее время они лидируют по количеству кубитов, которыми можно управлять. Однако из-за их больших размеров в конечном итоге они могут столкнуться с проблемами при попытке собрать и использовать миллионы кубитов, как того требуют наиболее полезные квантовые алгоритмы.
«Наш новый подход на основе кремния находится в самом лучшем месте», — сказал Морелло, профессор квантовой инженерии в UNSW. «Это легче изготовить, чем устройства атомного масштаба, но все же позволяет нам разместить миллион кубитов на квадратный миллиметр».
В одноатомном кубите, используемом командой Морелло и который применяется в новом дизайне Tosi, кремниевый чип покрыт слоем изолирующего оксида кремния, поверх которого лежит структура металлических электродов, которые работают при температурах, близких к абсолютному нулю, и в наличие очень сильного магнитного поля.
В ядре находится атом фосфора, из которого команда Морелло ранее построила два функциональных кубита, используя электрон и ядро атома. Эти кубиты, взятые по отдельности, продемонстрировали рекордные времена согласованности.
Концептуальным прорывом Tosi является создание совершенно нового типа кубита, использующего как ядро, так и электрон. В этом подходе состояние кубита «0» определяется, когда вращение электрона снижается, а спин ядра повышается, тогда как состояние «1» происходит, когда вращение электрона увеличивается, а вращение ядра снижается.
«Мы называем это« триггером », — сказал Този. «Чтобы управлять этим кубитом, вам нужно немного отодвинуть электрон от ядра, используя электроды сверху. Тем самым вы также создаете электрический диполь ».
«Это решающий момент», — добавляет Морелло. «Эти электрические диполи взаимодействуют друг с другом на довольно больших расстояниях, с хорошей долей микрона или 1000 нанометров.
«Это означает, что теперь мы можем разместить одноатомные кубиты гораздо дальше друг от друга, чем считалось ранее возможным», — продолжил он. «Таким образом, есть много места для вкрапления ключевых классических компонентов, таких как межсоединения, управляющие электроды и устройства считывания, сохраняя при этом точную атомоподобную природу квантового бита».
Морелло назвал концепцию Тоси такой же значимой, как оригинальная статья Брюса Кейна 1998 года в журнале Nature. Кейн, в то время старший научный сотрудник UNSW, нашел новую архитектуру, которая могла бы превратить квантовый компьютер на основе кремния в реальность — запустить гонку Австралии по созданию квантового компьютера.
«Как и статья Кейна, это теория, предложение — кубит еще предстоит построить», — сказал Морелло. «У нас есть некоторые предварительные экспериментальные данные, которые предполагают, что это вполне осуществимо, поэтому мы работаем над тем, чтобы полностью это продемонстрировать. Но я думаю, что это так же дальновидно, как оригинальная статья Кейна.
Создание квантового компьютера было названо «космической гонкой 21-го века» — трудной и амбициозной задачей с потенциалом предоставления революционных инструментов для решения иначе невозможных вычислений с множеством полезных приложений в здравоохранении, обороне, финансах, химии и разработка материалов, отладка программного обеспечения, аэрокосмическая и транспортная. Его скорость и мощь заключаются в том, что квантовые системы могут содержать множество «суперпозиций» разных начальных состояний, а также в жутком «запутывании», которое происходит только на квантовом уровне фундаментальных частиц.
«Для того чтобы привести квантовые вычисления в коммерческую реальность, потребуются большие разработки, а работа, которую мы видим от этой необычной команды, ставит Австралию на место водителя», — сказал Марк Хоффман, декан инженерного отдела UNSW. «Это прекрасный пример того, как UNSW, как и многие ведущие мировые исследовательские университеты, сегодня находится в центре сложной глобальной системы знаний, которая формирует наше будущее».
Команда UNSW заключила сделку на сумму 83 миллиона долларов между UNSW, телекоммуникационным гигантом Telstra, Австралийским банком Содружества и правительствами Австралии и Нового Южного Уэльса, чтобы к 2022 году разработать прототип кремниевой квантовой интегральной схемы на 10 кубитов — первый шаг в построении первый в мире квантовый компьютер в кремнии.
В августе партнеры запустили Silicon Quantum Computing Pty Ltd, первую в Австралии компанию по квантовым вычислениям, для продвижения разработки и коммерциализации уникальных технологий команды. Правительство штата Новый Южный Уэльс пообещало 8,7 млн. Долл. США, UNSW — 25 млн. Долл. США, Банк Содружества — 14 млн. Долл. США, Telstra — 10 млн. Долл. США и федеральное правительство — 25 млн. Долл. США.
Публикация: Гильерме Тоси и др., «Кремниевый квантовый процессор с надежными межбитовыми связями на больших расстояниях», Nature Communications 8, Номер статьи: 450 (2017) doi: 10.1038 / s41467-017-00378-x
