Quanteningenieure der UNSW Sydney haben ein großes Hindernis beseitigt, das der Verwirklichung von Quantencomputern im Wege stand. Sie entdeckten eine neue Technik, von der sie sagen, dass sie in der Lage sein wird, Millionen von Spin-Qubits zu steuern – die grundlegenden Informationseinheiten in einem Silizium-Quantenprozessor.
Bisher haben Quantencomputer-Ingenieure und -Wissenschaftler mit einem Proof-of-Concept-Modell von Quantenprozessoren gearbeitet und dabei die Steuerung nur einer Handvoll Qubits demonstriert.
Aber das Team hat in der Quantencomputerarchitektur das gefunden, was seiner Meinung nach „das fehlende Puzzleteil“ ist, das die Steuerung der Millionen von Qubits ermöglichen soll, die für außerordentlich komplexe Berechnungen benötigt werden.
Das Forschungsteam wollte das Problem lösen, das Quanteninformatiker jahrzehntelang beschäftigt hatte – wie man nicht nur einige, sondern Millionen von Qubits steuern kann, ohne mit mehr Verkabelung, die mehr Strom verbraucht und mehr Wärme erzeugt, wertvollen Platz einzunehmen.
Bis zu diesem Zeitpunkt beruhte die Steuerung von Elektronenspin-Qubits darauf, dass wir Mikrowellen-Magnetfelder erzeugten, indem wir einen Strom durch einen Draht direkt neben dem Qubit leiteten.
Dies stellt einige echte Herausforderungen dar, wenn wir auf die Millionen von Qubits skalieren wollen, die ein Quantencomputer benötigen wird, um global bedeutende Probleme zu lösen, wie zum Beispiel die Entwicklung neuer Impfstoffe.
Erstens nehmen die Magnetfelder mit zunehmender Entfernung sehr schnell ab, sodass wir nur die Qubits steuern können, die dem Draht am nächsten sind. Das bedeutet, dass wir mit der Einführung immer mehr Qubits immer mehr Drähte hinzufügen müssten, was viel Platz auf dem Chip beanspruchen würde.
Und da der Chip bei eiskalten Temperaturen von unter -270 °C betrieben werden muss, würde die Einführung weiterer Drähte laut Dr. Pla viel zu viel Wärme im Chip erzeugen und die Zuverlässigkeit der Qubits beeinträchtigen.
Glühbirne Moment
Die Lösung dieses Problems beinhaltete eine völlige Neugestaltung der Siliziumchipstruktur.
Anstatt Tausende von Steuerdrähten auf demselben Siliziumchip in Miniaturgröße zu haben, der auch Millionen von Qubits enthalten muss, untersuchte das Team die Möglichkeit, über dem Chip ein Magnetfeld zu erzeugen, das alle Qubits gleichzeitig manipulieren könnte.
Diese Idee, alle Qubits gleichzeitig zu steuern, wurde erstmals in den 1990er-Jahren von Quanteninformatikern postuliert, aber bisher hatte noch niemand einen praktischen Weg gefunden, dies zu erreichen.
„Zuerst haben wir den Draht neben den Qubits entfernt und dann eine neuartige Möglichkeit entwickelt, magnetische Kontrollfelder im Mikrowellenfrequenzbereich über das gesamte System zu liefern. Im Prinzip könnten wir also Kontrollfelder für bis zu vier Millionen Qubits liefern“, sagt das Forschungsteam.
Das Team führte direkt über dem Siliziumchip eine neue Komponente ein – ein Kristallprisma, das als dielektrischer Resonator bezeichnet wird. Wenn Mikrowellen in den Resonator geleitet werden, wird die Wellenlänge der Mikrowellen auf eine viel kleinere Größe fokussiert.
Der dielektrische Resonator schrumpft die Wellenlänge auf unter einen Millimeter, sodass wir jetzt eine sehr effiziente Umwandlung der Mikrowellenleistung in das Magnetfeld haben, das die Spins aller Qubits steuert.
Hier gibt es zwei wesentliche Neuerungen. Das erste ist, dass wir nicht viel Energie aufwenden müssen, um ein starkes Antriebsfeld für die Qubits zu erzeugen, was entscheidend bedeutet, dass wir nicht viel Wärme erzeugen. Der zweite Grund ist, dass das Feld auf dem gesamten Chip sehr gleichmäßig ist, sodass Millionen von Qubits alle das gleiche Maß an Kontrolle erfahren.
Quanten-Team-Up
Obwohl das Team den Prototyp-Resonator entwickelt hatte Technologie, sie hatten nicht die Silizium-Qubits, um es zu testen. Also sprach er mit seinem Ingenieurskollegen an der UNSW, dessen Team im letzten Jahrzehnt die erste und genaueste Quantenlogik demonstriert hatte, wobei er dieselbe Siliziumherstellungstechnologie nutzte, die auch für die Herstellung herkömmlicher Computerchips verwendet wurde.
Quantencomputer, von denen man in den 1980er Jahren nur geträumt hat und die Tausende von Qubits nutzen, um Probleme von kommerzieller Bedeutung zu lösen, könnten heute weniger als ein Jahrzehnt entfernt sein. Darüber hinaus wird von ihnen erwartet, dass sie aufgrund ihrer Fähigkeit, außerordentlich komplexe Systeme zu modellieren, neue Schlagkraft bei der Lösung globaler Herausforderungen und der Entwicklung neuer Technologien einbringen.
Klimawandel, Arzneimittel- und Impfstoffdesign, Code-Entschlüsselung und künstliche Intelligenz Alle werden von der Quantencomputertechnologie profitieren.
Blick in die Zukunft
Als nächstes plant das Team, diese neue Technologie zu nutzen, um das Design kurzfristiger Silizium-Quantenprozessoren zu vereinfachen.
Durch das Entfernen des On-Chip-Steuerkabels wird Platz für zusätzliche Qubits und die gesamte andere Elektronik frei, die zum Aufbau eines Quantenprozessors erforderlich ist. Dadurch wird die Aufgabe, mit dem nächsten Schritt zur Herstellung von Geräten mit einigen Dutzend Qubits fortzufahren, viel einfacher.
Obwohl es noch technische Herausforderungen zu lösen gilt, bevor Prozessoren mit einer Million Qubits hergestellt werden können, freuen wir uns über die Tatsache, dass wir nun eine Möglichkeit haben, sie zu kontrollieren.
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