I team di ricerca di tutto il mondo stanno esplorando diversi modi per progettare un chip di elaborazione funzionante in grado di integrare le interazioni quantistiche. Ora, Gli ingegneri dell'UNSW credono di aver risolto il problema, reimmaginare i microprocessori al silicio che conosciamo per creare un progetto completo per un chip per computer quantistico che può essere prodotto utilizzando processi e componenti per lo più standard del settore.

Il nuovo design del chip, pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , dettaglia una nuova architettura che consente di eseguire calcoli quantistici utilizzando componenti a semiconduttore esistenti, noto come CMOS (metallo-ossido-semiconduttore complementare) - la base per tutti i chip moderni.

È stato ideato da Andrew Dzurak, direttore dell'Australian National Fabrication Facility presso l'Università del New South Wales (UNSW), e il dottor Menno Veldhorst, autore principale dell'articolo che era ricercatore presso l'UNSW quando il lavoro concettuale è stato completato.

"Spesso pensiamo allo sbarco sulla Luna come alla più grande meraviglia tecnologica dell'umanità, " disse Dzurak, che è anche un leader del programma presso il famoso Centro di eccellenza australiano per il calcolo quantistico e la tecnologia di comunicazione (CQC2T). "Ma creare un chip microprocessore con un miliardo di dispositivi operativi integrati insieme per funzionare come una sinfonia - che puoi portare in tasca! - è un risultato tecnico sorprendente, e uno che ha rivoluzionato la vita moderna.

"Con l'informatica quantistica, siamo sull'orlo di un altro salto tecnologico che potrebbe essere altrettanto profondo e trasformativo. Ma un progetto ingegneristico completo per realizzare questo su un singolo chip è stato elusivo. Penso che ciò che abbiamo sviluppato all'UNSW ora lo renda possibile. E, soprattutto, può essere realizzato in un moderno impianto di produzione di semiconduttori, " Ha aggiunto.

Veldhorst, ora un team leader nella tecnologia quantistica presso QuTech, una collaborazione tra la Delft University of Technology e TNO, l'Organizzazione olandese per la ricerca scientifica applicata - ha affermato che il potere del nuovo design è che, per la prima volta, traccia un concepibile percorso ingegneristico verso la creazione di milioni di bit quantistici, o qubit.

"Per quanto notevoli siano, i chip dei computer di oggi non possono sfruttare gli effetti quantistici necessari per risolvere i problemi davvero importanti che i computer quantistici dovranno affrontare. Per risolvere i problemi che affrontano le principali sfide globali, come il cambiamento climatico o malattie complesse come il cancro, è generalmente accettato che avremo bisogno di milioni di qubit che lavorino in tandem. Fare quello, dovremo impacchettare insieme i qubit e integrarli, come facciamo con i moderni chip a microprocessore. Questo è ciò che questo nuovo design mira a raggiungere.

"Il nostro progetto incorpora interruttori a transistor al silicio convenzionali per "accendere" le operazioni tra i qubit in un vasto array bidimensionale, utilizzando un protocollo di selezione "parola" e "bit" basato su griglia simile a quello utilizzato per selezionare i bit in un chip di memoria del computer convenzionale, " ha aggiunto. "Selezionando elettrodi sopra un qubit, possiamo controllare la rotazione di un qubit, che memorizza il codice binario quantistico di uno 0 o 1. E selezionando gli elettrodi tra i qubit, interazioni logiche a due qubit, o calcoli, può essere eseguito tra qubit."

Un computer quantistico espande esponenzialmente il vocabolario del codice binario utilizzato nei computer moderni utilizzando due principi spettrali della fisica quantistica, vale a dire, 'intreccio' e 'sovrapposizione'. I qubit possono memorizzare uno 0, un 1, o una combinazione arbitraria di 0 e 1 allo stesso tempo. E proprio come un computer quantistico può memorizzare più valori contemporaneamente, in modo che possa elaborarli contemporaneamente, eseguire più operazioni contemporaneamente.

Ciò consentirebbe a un computer quantistico universale di essere milioni di volte più veloce di qualsiasi computer convenzionale nella risoluzione di una serie di problemi importanti.

Ma per risolvere problemi complessi, un utile computer quantistico universale avrà bisogno di un gran numero di qubit, forse milioni, perché tutti i tipi di qubit che conosciamo sono fragili, e anche piccoli errori possono essere rapidamente amplificati in risposte sbagliate.

"Quindi abbiamo bisogno di utilizzare codici di correzione degli errori che impiegano più qubit per memorizzare un singolo pezzo di dati, " ha affermato Dzurak. "Il nostro progetto di chip incorpora un nuovo tipo di codice di correzione degli errori progettato specificamente per gli spin qubit, e coinvolge un sofisticato protocollo di operazioni su milioni di qubit. È il primo tentativo di integrare in un singolo chip tutti i circuiti convenzionali in silicio necessari per controllare e leggere i milioni di qubit necessari per il calcolo quantistico".

"Ci aspettiamo che saranno ancora necessarie modifiche a questo design mentre ci spostiamo verso la produzione, ma tutti i componenti chiave necessari per l'informatica quantistica sono qui in un unico chip. Ed è quello che sarà necessario se vogliamo rendere i computer quantistici un cavallo di battaglia per calcoli che vanno ben oltre i computer di oggi, " Ha aggiunto Dzurak. "Mostra come integrare i milioni di qubit necessari per realizzare la vera promessa del calcolo quantistico".

La costruzione di un computer quantistico così universale è stata definita la "corsa allo spazio del 21° secolo". Per una serie di calcoli, saranno molto più veloci dei computer esistenti, e per alcuni problemi impegnativi potrebbero trovare soluzioni in giorni, forse anche ore, quando i migliori supercomputer di oggi impiegherebbero milioni di anni.

Ci sono almeno cinque principali approcci di calcolo quantistico esplorati in tutto il mondo:qubit di spin di silicio, trappole ioniche, circuiti superconduttori, posti vacanti di diamanti e qubit topologici; Il design di UNSW si basa su qubit di spin di silicio. Il problema principale con tutti questi approcci è che non esiste un percorso chiaro per scalare il numero di bit quantistici fino ai milioni necessari senza che il computer diventi enorme un sistema che richiede apparecchiature di supporto ingombranti e infrastrutture costose.

Ecco perché il nuovo design di UNSW è così entusiasmante:basandosi sul suo approccio allo spin qubit al silicio, che imita già gran parte dei dispositivi a stato solido in silicio che sono il cuore dell'industria globale dei semiconduttori da 380 miliardi di dollari, mostra come combinare l'errore di spin qubit correggere il codice nei progetti di chip esistenti, consentendo un vero calcolo quantistico universale.

A differenza di quasi tutti gli altri grandi gruppi altrove, Lo sforzo di calcolo quantistico di CQC2T è ossessivamente focalizzato sulla creazione di dispositivi a stato solido in silicio, da cui sono fatti tutti i chip per computer del mondo. E non stanno solo creando disegni decorati per mostrare quanti qubit possono essere confezionati insieme, ma mirando a costruire qubit che un giorno potrebbero essere facilmente fabbricati e scalati.

"È un po' nascosto sotto il tappeto, ma per il calcolo quantistico su larga scala, avremo bisogno di milioni di qubit, " disse Dzurak. "Ecco, mostriamo un modo in cui gli spin qubit possono essere scalati in modo massiccio. E questa è la chiave".

Il design è un balzo in avanti negli spin qubit in silicio; era solo due anni fa, in un articolo su Nature, che Dzurak e Veldhorst hanno mostrato, per la prima volta, come i calcoli di logica quantistica potrebbero essere eseguiti in un vero dispositivo di silicio, con la creazione di una porta logica a due qubit, l'elemento centrale di un computer quantistico.

"Quelli furono i primi passi da bambino, le prime dimostrazioni di come trasformare questo concetto di calcolo quantistico radicale in un dispositivo pratico utilizzando componenti che sono alla base di tutti i computer moderni, " ha detto Mark Hoffman, Dean of Engineering dell'UNSW. "Il nostro team ora ha un progetto per scalarlo drasticamente.

"Abbiamo testato elementi di questo design in laboratorio, con risultati molto positivi. Dobbiamo solo continuare a costruire su questo - che è ancora una sfida infernale, ma le basi ci sono ed è molto incoraggiante. Ci vorrà ancora una grande ingegneria per portare l'informatica quantistica nella realtà commerciale, ma chiaramente il lavoro che vediamo da questo straordinario team al CQC2T mette l'Australia al posto di guida, " Ha aggiunto.

Altri ricercatori CQC2T coinvolti nel progetto pubblicato nel documento Nature Communications sono stati Henry Yang e Gertjan Eenink, l'ultimo dei quali da allora è entrato a far parte di Veldhorst presso QuTech.

Il team UNSW ha siglato un accordo da 83 milioni di dollari tra UNSW, Telstra, Commonwealth Bank e i governi australiano e del Nuovo Galles del Sud per sviluppare, entro il 2022, un prototipo di circuito quantistico integrato in silicio a 10 qubit:il primo passo nella costruzione del primo computer quantistico al mondo in silicio.

In agosto, i partner hanno lanciato Silicon Quantum Computing Pty Ltd, La prima azienda australiana di informatica quantistica, per far progredire lo sviluppo e la commercializzazione delle tecnologie uniche del team. Il governo del NSW ha promesso 8,7 milioni di dollari australiani, UNSW 25 milioni di dollari, la Commonwealth Bank A$14 milioni, Telstra 10 milioni di dollari australiani e 25 milioni di dollari australiani.