Kwantumingenieurs van UNSW Sydney hebben een groot obstakel weggenomen dat de realiteit van kwantumcomputers in de weg stond. Ze ontdekten een nieuwe techniek die volgens hen in staat zal zijn miljoenen spinqubits te controleren – de basiseenheden van informatie in een silicium-kwantumprocessor.
Tot nu toe hebben kwantumcomputeringenieurs en wetenschappers gewerkt met een proof-of-concept-model van kwantumprocessors door de controle over slechts een handvol qubits aan te tonen.
Maar het team heeft wat zij beschouwen als ‘het ontbrekende puzzelstukje’ in de kwantumcomputerarchitectuur gevonden dat de controle mogelijk moet maken over de miljoenen qubits die nodig zijn voor buitengewoon complexe berekeningen.
Het onderzoeksteam wilde het probleem oplossen dat wetenschappers op het gebied van kwantumcomputers decennialang heeft beziggehouden: hoe je niet slechts een paar maar miljoenen qubits kunt controleren zonder waardevolle ruimte in beslag te nemen met meer bedrading, die meer elektriciteit verbruikt en meer warmte genereert.
Tot nu toe was het controleren van elektronenspinqubits afhankelijk van het leveren van magnetische microgolfvelden door een stroom door een draad vlak naast de qubit te sturen.
Dit brengt een aantal echte uitdagingen met zich mee als we willen opschalen naar de miljoenen qubits die een kwantumcomputer nodig zal hebben om wereldwijd belangrijke problemen op te lossen, zoals het ontwerp van nieuwe vaccins.
Ten eerste nemen de magnetische velden heel snel af met de afstand, dus we kunnen alleen die qubits besturen die zich het dichtst bij de draad bevinden. Dat betekent dat we steeds meer draden moeten toevoegen naarmate we steeds meer qubits binnenbrengen, wat veel ruimte op de chip in beslag zou nemen.
En omdat de chip moet werken bij ijskoude temperaturen, onder de -270°C, zegt Dr. Pla dat het introduceren van meer draden veel te veel warmte in de chip zou genereren, wat de betrouwbaarheid van de qubits zou aantasten.
Gloeilamp moment
De oplossing voor dit probleem omvatte een volledige herinterpretatie van de siliciumchipstructuur.
In plaats van duizenden besturingsdraden op dezelfde siliciumchip ter grootte van een miniatuur, die ook miljoenen qubits moet bevatten, onderzocht het team de haalbaarheid van het genereren van een magnetisch veld van boven de chip dat alle qubits tegelijkertijd zou kunnen manipuleren.
Dit idee om alle qubits tegelijkertijd te besturen werd voor het eerst geponeerd door kwantumcomputerwetenschappers in de jaren negentig, maar tot nu toe had niemand een praktische manier bedacht om dit te doen.
“Eerst hebben we de draad naast de qubits verwijderd en daarna een nieuwe manier bedacht om magnetische regelvelden op microgolffrequentie over het hele systeem te leveren. In principe zouden we dus controlevelden tot wel vier miljoen qubits kunnen leveren”, zegt het onderzoeksteam.
Het team introduceerde een nieuw onderdeel direct boven de siliciumchip: een kristalprisma dat een diëlektrische resonator wordt genoemd. Wanneer microgolven in de resonator worden gericht, wordt de golflengte van de microgolven tot een veel kleiner formaat geconcentreerd.
De diëlektrische resonator verkleint de golflengte tot minder dan één millimeter, dus we hebben nu een zeer efficiënte omzetting van microgolfvermogen in het magnetische veld dat de spins van alle qubits regelt.
Er zijn hier twee belangrijke innovaties. De eerste is dat we niet veel stroom hoeven in te zetten om een sterk aandrijfveld voor de qubits te krijgen, wat cruciaal betekent dat we niet veel warmte genereren. De tweede is dat het veld zeer uniform is over de hele chip, waardoor miljoenen qubits allemaal hetzelfde niveau van controle ervaren.
Quantum-team-up
Hoewel het team het prototype van de resonator had ontwikkeld technologie, ze hadden niet de siliciumqubits om het op te testen. Daarom sprak hij met zijn technische collega bij UNSW, wiens team het afgelopen decennium de eerste en meest nauwkeurige kwantumlogica had gedemonstreerd met behulp van dezelfde siliciumproductietechnologie die wordt gebruikt om conventionele computerchips te maken.
Waar we in de jaren tachtig alleen maar van droomden, zullen kwantumcomputers die duizenden qubits gebruiken om problemen van commerciële betekenis op te lossen, nu over minder dan tien jaar plaatsvinden. Daarnaast wordt van hen verwacht dat ze nieuwe vuurkracht inbrengen bij het oplossen van mondiale uitdagingen en het ontwikkelen van nieuwe technologieën vanwege hun vermogen om buitengewoon complexe systemen te modelleren.
Klimaatverandering, medicijn- en vaccinontwerp, codedecodering en kunstmatige intelligentie ze zullen allemaal profiteren van kwantumcomputertechnologie.
De toekomst
Vervolgens is het team van plan deze nieuwe technologie te gebruiken om het ontwerp van silicium-kwantumprocessors voor de korte termijn te vereenvoudigen.
Door de stuurdraad op de chip te verwijderen, komt er ruimte vrij voor extra qubits en alle andere elektronica die nodig is om een kwantumprocessor te bouwen. Het maakt de taak om naar de volgende stap te gaan, namelijk het produceren van apparaten met enkele tientallen qubits, veel eenvoudiger.
Hoewel er technische uitdagingen moeten worden opgelost voordat processors met een miljoen qubits kunnen worden gemaakt, zijn we enthousiast over het feit dat we nu een manier hebben om ze te controleren.
ELE-tijden
-
ELE-tijdenhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsGlobal Chip Crunch kan aanhouden tot 2023, zegt CEO van Infineon
-
ELE-tijdenhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsDeep Learning-algoritmen gebruiken om fietsers de 'groene golf' bij verkeerslichten te geven
-
ELE-tijdenhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsIndia innoveert technologie die waterstof rechtstreeks genereert uit landbouwresten
-
ELE-tijdenhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsStudie zegt dat 'blauwe waterstof' waarschijnlijk slecht is voor het klimaat