Квантові інженери з UNSW у Сіднеї усунули головну перешкоду, яка заважала квантовим комп'ютерам стати реальністю: вони відкрили нову техніку, яка, за їхніми словами, буде здатна контролювати мільйони спинових кубітів - основних одиниць інформації в кремнієвому квантовому процесорі.
Досі інженери і вчені, які займаються квантовими комп'ютерами, працювали з експериментальною моделлю квантових процесорів, демонструючи управління лише жменькою кубітів.
Але у своєму останньому дослідженні, опублікованому в журналі Science Advances, команда вчених знайшла те, що вони вважають «відсутнім шматочком мозаїки» в архітектурі квантового комп'ютера, який повинен дозволити контролювати мільйони кубітів, необхідних для надзвичайно складних розрахунків.
Джаррід Пла, викладач Школи електротехніки і телекомунікацій UNSW, каже, що його дослідницька група хотіла вирішити проблему, яка десятиліттями ставила в глухий кут вчених: як керувати не тільки кількома, але і мільйонами кубітів, не займаючи при цьому цінний простір з великою кількістю проводів, що споживає більше електроенергії і генерує більше тепла.
«До цього моменту управління електронними спиновими кубітами покладалося на те, що ми доставляємо мікрохвильові магнітні поля, пропускаючи струм через дріт поруч з кубітом», - говорить Джаррід Пла.
«Це створює деякі реальні проблеми, якщо ми хочемо масштабуватися до мільйонів кубітів, які будуть потрібні квантовому комп'ютеру для вирішення глобально значущих проблем, таких як розробка нових вакцин».
"По-перше, магнітні поля дуже швидко падають з відстанню, тому ми можемо контролювати тільки ті кубіти, які знаходяться найближче до дроту. Це означає, що нам потрібно буде додавати все більше і більше проводів, оскільки ми вводимо все більше і більше кубітів, що займе багато місця на чіпі ".
А оскільки чіп повинен працювати при низьких температурах, нижче -270 ° C, Джаррід Пла каже, що введення більшої кількості проводів призведе до занадто великого нагріву чіпа, що знизить надійність кубітів.
«Таким чином, ми повертаємося до можливості керувати тільки кількома кубітами за допомогою цієї дротової техніки», - говорить Джаррід Пла.
Вирішення цієї проблеми включало повне переосмислення структури кремнієвого чіпа.
Замість того, щоб мати тисячі керуючих проводів на одному кремнієвому чіпі розміром, який також повинен містити мільйони кубітів, команда вивчила можливість створення магнітного поля над чіпом, яке могло б маніпулювати всіма кубітами одночасно.
Ідея одночасного управління всіма кубітами була вперше запропонована вченими, що займаються квантовими обчисленнями, ще в 1990-х роках, але досі ніхто не розробив практичного способу це зробити.
"Спочатку ми видалили дріт поруч з кубітами, а потім придумали новий спосіб доставки магнітних керуючих полів мікрохвильового діапазону по всій системі. Таким чином, в принципі, ми могли б надати керуючі поля для чотирьох мільйонів кубітів ", - кажуть дослідники.
Вчені представили новий компонент безпосередньо над кремнієвим кристалом - кристалічну призму, звану діелектричним резонатором. Коли мікрохвилі направляються в резонатор, він фокусує довжину хвилі мікрохвиль до набагато меншого розміру.
«Діелектричний резонатор скорочує довжину хвилі до менше одного міліметра, тому тепер у нас є дуже ефективне перетворення мікрохвильової енергії в магнітне поле, яке контролює спини всіх кубітів».
"Тут є два ключових нововведення. По-перше, нам не потрібно вкладати багато енергії, щоб отримати сильне рушійне поле для кубітів, що, в кінцевому підсумку, означає, що ми не виділяємо багато тепла. По-друге, поле дуже однорідне по всьому чіпу, так що всі мільйони кубітів мають однаковий рівень контролю ".
Тепер для створення квантових комп'ютерів, що використовують тисячі кубітів для вирішення завдань комерційного значення, про які колись мріяли тільки в 80-ті роки, може знадобитися менше десяти років. Очікується, що вони привнесуть нову міць у вирішення глобальних проблем і розробку нових технологій завдяки своїй здатності моделювати надзвичайно складні системи.
Зміна клімату, розробка ліків і вакцин, розшифровка ДНК і штучний інтелект - все це виграє від технології квантових обчислень.