Quantum Computers: New Silicon Chip krijgt ons dichterbij, zegt de maker

Andrew Dzurak denkt graag in termen van het grote geheel, zelfs als niet alles al in beeld is gekomen.

Professor Dzurak, professor aan de Universiteit van New South Wales in Sydney en directeur van de Australian National Fabrication Facility, is de eerste praktische quantumcomputer. En hij gelooft dat het nieuw geopenbaarde ontwerp van zijn team voor een quantumcomputerchip een cruciale eerste stap naar die bestemming zou kunnen zijn - en het is allemaal gebaseerd op de siliciumchiparchitectuur die de hedendaagse computers van stroom voorziet.

"Het biedt een 'visie' of een 'weg' voor het bouwen van een grootschalige quantumprocessor, met de miljoenen qubits die nodig zijn om een ​​reeks belangrijke problemen op te lossen," vertelt hij omgekeerde.

Quantum computing is een vooruitgang die aantoonbaar zou kunnen zijn de bepalend voor de technologische prestaties van de 21ste eeuw - ervan uitgaande dat we het natuurlijk in de volgende 83 jaar wel kunnen doen. Dat is geen zekerheid, aangezien een volledig operationele kwantumcomputer op elke chip miljoenen quantumbits of qubits zou moeten hebben. Degenen die in ontwikkeling zijn op plaatsen zoals Google, hebben een top van ongeveer 50 qubits, zonder garantie dat die ontwerpen naar boven kunnen schalen.

Maar zoals Dzurak en zijn collega-onderzoekers uitleggen in een artikel dat vrijdag is gepubliceerd Natuurcommunicatie, ze geloven dat hun ontwerp kan worden opgebouwd om de vereiste menagerie van qubits te omvatten, die elk voordeel halen uit de kwantumvreemdheid om de beperkingen van binaire en snel oplossende problemen die traditionele computers miljoenen jaren zouden duren, te overstijgen.

"Dit is een erg simplistische analogie, maar ik denk dat je zou kunnen zeggen dat het een beetje lijkt op het moment waarop het moonshot-team een ​​compleet ontwerp had voor de hele missie, inclusief de raketmotoren, de timing van de fasen, de landingsmodule, de ruimtepakken, enz., "zegt hij. "Om een ​​groot project te realiseren, moet je een visie hebben over hoe alles bij elkaar past, en dat is precies wat we met dit document wilden bereiken."

Het team van Dzurak richt zich op siliciumkwantumchips, een van de vijf belangrijkste kandidaten voor de kwantumcomputerarchitectuur. Het belangrijkste voordeel is dat het een uitbreiding is van de reeds gebruikte siliciumchiptechnologie, die een ruwe handleiding biedt voor het klein genoeg maken van de qubits zodat miljoenen op één enkele chip passen.

"Ik neem aan dat het eerlijk is om te zeggen dat ik het grootste deel van mijn levenswerk niet zou besteden aan siliciumqubits als ik niet dacht dat dit de juiste manier was om te gaan," zegt hij, hoewel hij erkent dat het vermogen om die qubits te miniaturiseren maak verdere problemen. "Dit is eigenlijk een belangrijk voordeel ten opzichte van andere qubits, omdat het betekent dat je veel meer qubits op een enkele chip kunt inpakken, maar het creëert ook een aantal uitdagingen om zoveel regelregels in een klein volume te krijgen. Voor een deel is dit een van de belangrijkste uitdagingen die ons document beoogt aan te pakken."

Het feit dat deze chips zoveel functies delen met de chips van vandaag, betekent ook dat ze kunnen worden gebouwd met materialen die al beschikbaar en in gebruik zijn. Het artikel geeft verder aan hoe dit ontwerp meer technische problemen oplost, zoals het corrigeren van fouten in de berekeningen van de qubit en het bouwen van schakelingen die nodig zijn om al die miljoenen kwantumcomponenten te besturen en te lezen.

Dus hoeveel dichterbij brengt dit ons naar een echte, praktische kwantumcomputer?

"We willen beginnen met het gebruik van de fabricageprocessen van siliciumchips om eerst een klein (zeg 10-qubit) systeem te maken - dat is het eerste doel - wat we hopen te bereiken in 3 tot 5 jaar," zegt Dzurak. "Dan willen we een hoger niveau van integratie opbouwen, met bijvoorbeeld 100 qubits in ongeveer 6-10 jaar. Bij ongeveer 100 qubits zouden we een prototype hebben dat dan in de loop van de tijd verder zou kunnen opschalen, maar dat al op enkele interessante problemen zou kunnen worden toegepast."

Dzurak zegt dat die tijdschema's in hoge mate afhankelijk zijn van de hoeveelheid investering die zijn groep ontvangt. Het realiseren van de visie van het team op een echte kwantumcomputer zal aanzienlijke middelen vergen.Maar die visie is in ieder geval nooit duidelijker geweest.

"Toen ik aan dit ontwerp begon, wilde ik een beeld krijgen van hoe een complete 'quantum-computerchip eruit zou kunnen zien', zegt hij. "Het was erg belangrijk, omdat het zowel de voordelen van het gebruik van silicium als de uitdagingen van het maken van een hele quantum-processor benadrukte. Er blijven zeer reële engineeringuitdagingen, die hersencapaciteit en vastberadenheid zullen aannemen om op te lossen, maar nu hebben we een echt doel om naar te streven."