[ad_1]
Podstawowe jednostki obliczeń kwantowych, znane jako bity kwantowe lub kubity*, są wrażliwe na niewielkie zmiany w ich otoczeniu, takie jak zmiany temperatury. Obecne komputery kwantowe mogą utrzymywać bezbłędną spójność tylko przez bardzo krótki czas, nawet gdy są uruchamiane w pokojowych lodówkach bliskich zera absolutnego (minus 273 stopnie Celsjusza).
Krucha spójność kwantowa oznacza, że błędy obliczeniowe szybko narastają. Naukowcy z Uniwersytetów w Melbourne i Manchesterze opracowali przełomową metodę inżynierii najczystszego krzemu, która znacznie przybliża potężne komputery kwantowe.
Ten ultraczysty krzem czyni go idealnym materiałem do tworzenia komputerów kwantowych na dużą skalę i z wysoką dokładnością. Naukowcy stworzyli je przy użyciu kubitów atomów fosforu wszczepionych w kryształy czystego, stabilnego krzemu.
Ich innowacja może pokonać krytyczną barierę dla obliczeń kwantowych poprzez wydłużenie czasu trwania notorycznie kruchej koherencji kwantowej. Ta nowa technika oferuje solidną spójność, umożliwiając komputerom kwantowym rozwiązywanie złożonych problemów w ciągu godzin lub minut, co zajęłoby konwencjonalnym lub „klasycznym” komputerom – nawet superkomputerom – wieki.
Profesor Richard Curry, współprowadzący badania na Uniwersytecie w Manchesterze, powiedział, że ultraczysty krzem pozwolił na skonstruowanie wysokowydajnych urządzeń kubitowych, krytycznego elementu wymaganego do opracowania skalowalnych komputerów kwantowych.
„To, co udało nam się zrobić, to skutecznie stworzyć krytyczną „cegiełkę” potrzebną do skonstruowania komputera kwantowego opartego na krzemie. Jest to kluczowy krok w kierunku stworzenia technologii, która ma potencjał do przekształcenia ludzkości”. powiedział profesor Curry.
Główny autor Ravi Acharya, stypendysta Uniwersytetu w Manchesterze i Uniwersytetu w Melbourne, powiedział wielką zaletą obliczeń kwantowych na chipach krzemowych było to, że wykorzystywały one te same podstawowe techniki, które tworzą chipy używane w dzisiejszych komputerach.
„Chipy elektroniczne znajdujące się obecnie w codziennych komputerach składają się z miliardów tranzystorów – można je również wykorzystać do tworzenia kubitów dla urządzeń kwantowych opartych na krzemie. Zdolność do tworzenia wysokiej jakości kubitów krzemowych była do tej pory częściowo ograniczona czystością stosowanego krzemowego materiału wyjściowego. Przełomowa czystość, którą tu pokazujemy, rozwiązuje ten problem”.
Profesor Jamieson powiedział nowe, wysoce oczyszczone krzemowe chipy komputerowe przechowują i chronią kubity, dzięki czemu mogą one utrzymywać spójność kwantową znacznie dłużej, umożliwiając złożone obliczenia przy znacznie zmniejszonej potrzebie korekcji błędów”.
„Nasza technika otwiera drogę do niezawodnych komputerów kwantowych, które obiecują radykalne zmiany w całym społeczeństwie, w tym w sztucznej inteligencji, bezpiecznych danych i komunikacji, projektowaniu szczepionek i leków, zużyciu energii, logistyce i produkcji”.
Według naukowców, krzem jest wiodącym kandydatem na chipy do komputerów kwantowych, które umożliwią trwałą spójność wymaganą do niezawodnych obliczeń kwantowych. Problem polega na tym, że podczas gdy krzem składa się głównie z pożądanego izotopu krzemu-28, istnieje również około 4,5 procent krzemu-29. Każdy atom krzemu-29 zawiera dodatkowy neutron, który działa jak niewielki magnes, zakłócając spójność kwantową i powodując błędy w obliczeniach.
Naukowcy skierowali skupioną, szybką wiązkę czystego krzemu-28 na chip krzemowy, powodując, że krzem-28 stopniowo zastępował atomy krzemu-29 w chipie, obniżając zawartość krzemu-29 z 4,5% do dwóch części na milion (0,0002%).
„Wspaniałą wiadomością jest to, że aby oczyścić krzem do tego poziomu, możemy teraz użyć standardowej maszyny – implantatora jonów – którą można znaleźć w każdym laboratorium produkcji półprzewodników, dostrojonej do określonej konfiguracji, którą zaprojektowaliśmy”. Profesor Jamieson powiedział.
We wcześniej opublikowanej pracy, Uniwersytet w Melbourne ustanowił i nadal utrzymuje rekord świata w koherencji pojedynczego kubitu wynoszący 30 sekund przy użyciu mniej czystego krzemu we współpracy z ARC Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology. Złożone obliczenia kwantowe można wykonać w rozsądnym czasie – 30 sekund.
Według profesora Jamiesona błędy zdarzały się w milisekundach z powodu zerwanej spójności, mimo że obecne gigantyczne komputery kwantowe miały ponad 1000 kubitów.
Teraz, gdy możemy produkować wysoce czysty krzem-28, naszym następnym krokiem będzie wykazanie, że możemy jednocześnie utrzymać spójność kwantową dla wielu kubitów. Niezawodny komputer kwantowy z zaledwie 30 kubitami przekroczyłby moc dzisiejszych superkomputerów w niektórych zastosowaniach” – powiedział.
Najnowsze prace były wspierane przez granty badawcze przyznane przez rządy Australii i Wielkiej Brytanii. Royal Society Wolfson Visiting Fellowship wspiera współpracę profesora Jamiesona z Uniwersytetem w Manchesterze.
Odniesienie do czasopisma:
- Acharya, R., Coke, M., Adshead, M. et al. Silnie wzbogacony krzem 28Si poprzez zlokalizowaną implantację zogniskowaną wiązką jonów. Commun Mater 5, 57 (2024). DOI: 10.1038/s43246-024-00498-0
[ad_2]