Gli ingegneri dell'Università australiana del New South Wales hanno inventato una nuova architettura radicale per l'informatica quantistica, basato su nuovi "qubit flip-flop", che promette di rendere la produzione su larga scala di chip quantistici notevolmente più economica - e più facile - di quanto si pensasse possibile.

Il nuovo design del chip, dettagliato nel giornale Comunicazioni sulla natura , consente un processore quantistico al silicio che può essere scalato senza il posizionamento preciso degli atomi richiesto in altri approcci. È importante sottolineare che consente ai bit quantistici (o "qubit") - l'unità di base delle informazioni in un computer quantistico - di essere posizionati a centinaia di nanometri di distanza e di rimanere ancora accoppiati.

Il design è stato ideato da un team guidato da Andrea Morello, Program Manager presso l'ARC Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) di Sydney, che ha affermato che la fabbricazione del nuovo design dovrebbe essere facilmente alla portata della tecnologia odierna.

L'autore principale Guilherme Tosi, un ricercatore presso CQC2T, ha sviluppato il concetto pionieristico insieme a Morello e ai co-autori Fahd Mohiyaddin, Vivien Schmitt e Stefanie Tenberg di CQC2T, con i collaboratori Rajib Rahman e Gerhard Klimeck della Purdue University negli USA.

"È un design brillante, e come molti di questi salti concettuali, è incredibile che nessuno ci avesse pensato prima, " disse Morello.

"Ciò che Guilherme e il team hanno inventato è un nuovo modo di definire uno 'spin qubit' che utilizza sia l'elettrone che il nucleo dell'atomo. Fondamentalmente, questo nuovo qubit può essere controllato tramite segnali elettrici, invece di quelli magnetici. I segnali elettrici sono molto più facili da distribuire e localizzare all'interno di un chip elettronico".

Tosi ha affermato che il progetto elude una sfida che tutti i qubit di silicio basati su spin avrebbero dovuto affrontare quando i team iniziano a costruire array di qubit sempre più grandi:la necessità di distanziarli a una distanza di soli 10-20 nanometri, o solo 50 atomi di distanza.

"Se sono troppo vicini, o troppo distanti, l'"intreccio" tra i bit quantistici - che è ciò che rende i computer quantistici così speciali - non si verifica, " disse Tosi.

I ricercatori dell'UNSW sono già leader nel mondo nella creazione di qubit di spin su questa scala, disse Morello. "Ma se vogliamo creare un array di migliaia o milioni di qubit così ravvicinati, significa che tutte le linee di controllo, anche l'elettronica di controllo e i dispositivi di lettura devono essere fabbricati su quella scala nanometrica, e con quel passo e quella densità di elettrodi. Questo nuovo concetto suggerisce un altro percorso".

All'altra estremità dello spettro ci sono circuiti superconduttori - perseguiti ad esempio da IBM e Google - e trappole ioniche. Questi sistemi sono grandi e più facili da fabbricare, e sono attualmente all'avanguardia nel numero di qubit che possono essere gestiti. Però, per le loro maggiori dimensioni, a lungo termine potrebbero dover affrontare sfide quando cercano di assemblare e far funzionare milioni di qubit, come richiesto dai più utili algoritmi quantistici.

"Il nostro nuovo approccio basato sul silicio si trova proprio al punto giusto, " disse Morello, un professore di ingegneria quantistica all'UNSW. "È più facile da fabbricare rispetto ai dispositivi su scala atomica, ma ci consente comunque di posizionare un milione di qubit su un millimetro quadrato."

Nel qubit a singolo atomo utilizzato dal team di Morello, e quale applica il nuovo design di Tosi, un chip di silicio è ricoperto da uno strato di ossido di silicio isolante, al di sopra della quale poggia una trama di elettrodi metallici che operano a temperature prossime allo zero assoluto e in presenza di un campo magnetico molto forte.

Al centro c'è un atomo di fosforo, da cui il team di Morello ha precedentemente costruito due qubit funzionali utilizzando un elettrone e il nucleo dell'atomo. Questi qubit, presi singolarmente, hanno dimostrato tempi di coerenza da record mondiali.

La svolta concettuale di Tosi è la creazione di un tipo completamente nuovo di qubit, utilizzando sia il nucleo che l'elettrone. In questo approccio, uno stato qubit '0' è definito quando lo spin dell'elettrone è basso e lo spin del nucleo è alto, mentre lo stato '1' è quando lo spin dell'elettrone è alto, e la rotazione nucleare è diminuita.

"Lo chiamiamo qubit 'infradito', " disse Tosi. "Per far funzionare questo qubit, devi allontanare un po' l'elettrone dal nucleo, utilizzando gli elettrodi in alto. Facendo così, crei anche un dipolo elettrico."

"Questo è il punto cruciale, " aggiunge Morello. "Questi dipoli elettrici interagiscono tra loro su distanze abbastanza grandi, una buona frazione di micron, o 1, 000 nanometri.

"Ciò significa che ora possiamo posizionare i qubit a singolo atomo molto più distanti di quanto si pensasse in precedenza possibile, " ha continuato. "Quindi c'è molto spazio per intervallare i componenti classici chiave come interconnessioni, elettrodi di controllo e dispositivi di lettura, pur mantenendo la precisa natura simile ad un atomo del bit quantistico."

Morello ha definito il concetto di Tosi significativo quanto l'articolo seminale di Bruce Kane del 1998 in Natura . Kane, poi un ricercatore associato presso UNSW, si è imbattuto in una nuova architettura che potrebbe trasformare in realtà un computer quantistico a base di silicio, innescando la corsa australiana per costruire un computer quantistico.

"Come il giornale di Kane, questa è una teoria, una proposta:il qubit deve ancora essere costruito, " ha detto Morello. "Abbiamo alcuni dati sperimentali preliminari che suggeriscono che è del tutto fattibile, quindi stiamo lavorando per dimostrarlo pienamente. Ma penso che questo sia visionario come il documento originale di Kane".

La costruzione di un computer quantistico è stata definita la "corsa allo spazio del 21° secolo", una sfida difficile e ambiziosa con il potenziale per fornire strumenti rivoluzionari per affrontare calcoli altrimenti impossibili. con una pletora di applicazioni utili nel settore sanitario, difesa, finanza, chimica e sviluppo dei materiali, debug del software, aerospaziale e dei trasporti. La sua velocità e potenza risiedono nel fatto che i sistemi quantistici possono ospitare più "sovrapposizioni" di diversi stati iniziali, e nello spettrale 'entanglement' che si verifica solo a livello quantistico le particelle fondamentali.

"Ci vorrà grande ingegneria per portare l'informatica quantistica nella realtà commerciale, e il lavoro che vediamo da questa squadra straordinaria mette l'Australia al posto di guida, " ha detto Mark Hoffman, Dean of Engineering dell'UNSW. "È un ottimo esempio di come UNSW, come molte delle principali università di ricerca del mondo, è oggi al centro di un sofisticato sistema di conoscenza globale che sta plasmando il nostro futuro."

Il team UNSW ha siglato un accordo da 83 milioni di dollari tra UNSW, il gigante delle telecomunicazioni Telstra, La Commonwealth Bank australiana e i governi australiano e del Nuovo Galles del Sud a 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 A $ 10 milioni e il governo federale A $ 25 milioni.