« Недостающая головоломка »: инженеры значительно продвинулись в разработке квантовых компьютеров

 

Доктор Джаррид Пла и профессор Эндрю Дзурак решили проблему надежного управления не только несколькими, но и миллионами кубитов. Фото: UNSW

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

Теперь команда нашла то, что они считают «недостающей мозаикой» в архитектуре квантового компьютера, которая должна позволить управлять миллионами 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 полагалось на то, 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 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.

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 бы предоставить управляющие поля до четырех миллионов кубитов », — говорит д-р Пла.

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. 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 имеют одинаковый уровень контроля ».

Хотя доктор Пла и его команда разработали прототип резонаторной технологии, у них не было кремниевых кубитов, на которых можно было бы ее протестировать. 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 с использованием той же технологии производства кремния, которая используется для изготовления обычных компьютерных микросхем.

«Я был полностью 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 чипами кубитов, разработанными моей командой.

«Мы поставили двух наших лучших кандидатов наук. студенты проекта, Энсар Вахапоглу из моей команды и Джеймс Слэк-Смит 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 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.

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 профессор 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.

 

⏬