Computer quantistici in grado di risolvere problemi complessi, come la progettazione di farmaci o l'apprendimento automatico, richiederanno milioni di bit quantistici, o qubit, collegati in modo integrato e progettati per correggere gli errori che inevitabilmente si verificano nei fragili sistemi quantistici.

Ora, un team di ricerca australiano ha realizzato sperimentalmente una combinazione cruciale di queste capacità su un chip di silicio, avvicinando alla realtà il sogno di un computer quantistico universale.

Hanno dimostrato una piattaforma di qubit di silicio integrata che combina sia l'indirizzabilità a singolo spin, la capacità di "scrivere" informazioni su un singolo qubit di spin senza disturbare i suoi vicini, sia un processo di "lettura" dei qubit che sarà vitale per la correzione degli errori quantistici .

Inoltre, il loro nuovo design integrato può essere prodotto utilizzando una tecnologia consolidata utilizzata nell'industria informatica esistente.

Il team è guidato dal professore di Scientia Andrew Dzurak dell'Università del New South Wales a Sydney, leader del programma presso il Centro di eccellenza per la tecnologia di calcolo e comunicazione quantistica (CQC2T) e direttore del nodo NSW dell'Australian National Fabrication Facility.

L'anno scorso, Dzurak e colleghi hanno pubblicato un progetto per una nuova architettura di chip che potrebbe consentire l'esecuzione di calcoli quantistici utilizzando componenti CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) di silicio, la base di tutti i moderni chip per computer.

Nel loro nuovo studio, pubblicato oggi sulla rivista Comunicazioni sulla natura , il team combina per la prima volta due tecniche quantistiche fondamentali, confermando la promessa del loro approccio.

Il team di Dzurak aveva anche dimostrato in precedenza che una piattaforma di qubit di silicio integrata può funzionare con indirizzabilità a spin singolo, la capacità di ruotare un singolo spin senza disturbare i suoi vicini.

Ora hanno dimostrato che possono combinare questo con un tipo speciale di processo di lettura quantistica noto come blocco di spin di Pauli, un requisito chiave per i codici di correzione degli errori quantistici che saranno necessari per garantire la precisione nei grandi computer quantistici basati su spin. Questa nuova combinazione di lettura dei qubit e tecniche di controllo è una caratteristica centrale del loro design di chip quantistici.

"Abbiamo dimostrato la capacità di eseguire la lettura dello spin Pauli nel nostro dispositivo qubit in silicio ma, per la prima volta, l'abbiamo anche combinato con la risonanza di spin per controllare lo spin, "dice Dzurak.

"Questa è una pietra miliare importante per noi nel percorso verso l'esecuzione della correzione degli errori quantistici con gli spin qubit, che sarà essenziale per qualsiasi computer quantistico universale."

"La correzione degli errori quantistici è un requisito chiave nella creazione di un calcolo quantistico utile su larga scala perché tutti i qubit sono fragili, e devi correggere gli errori man mano che si presentano, "dice l'autore principale, Michael Fogarty, che ha eseguito gli esperimenti come parte del suo dottorato di ricerca. ricerca con il professor Dzurak all'UNSW.

"Ma questo crea un sovraccarico significativo nel numero di qubit fisici necessari per far funzionare il sistema, " nota Fogarty.

Dzurak dice, "Utilizzando la tecnologia CMOS al silicio abbiamo la piattaforma ideale per scalare ai milioni di qubit di cui avremo bisogno, e i nostri recenti risultati ci forniscono gli strumenti per ottenere la correzione degli errori di spin qubit nel prossimo futuro."

"È un'altra conferma che siamo sulla strada giusta. E mostra anche che l'architettura che abbiamo sviluppato all'UNSW ha, finora, non ha mostrato ostacoli allo sviluppo di un chip per computer quantistico funzionante".

"E, Cosa c'è di più, uno che può essere prodotto utilizzando processi e componenti industriali consolidati."

L'approccio unico di CQC2T che utilizza il silicio

Lavorare nel silicio è importante non solo perché l'elemento è economico e abbondante, ma perché è stato al centro dell'industria informatica globale per quasi 60 anni. Le proprietà del silicio sono ben note e i chip contenenti miliardi di transistor convenzionali sono normalmente fabbricati in grandi impianti di produzione.

Tre anni fa, Il team di Dzurak pubblicato sulla rivista Natura la prima dimostrazione di calcoli di logica quantistica 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 radicale di calcolo quantistico in un dispositivo pratico utilizzando componenti che sono alla base di tutti i computer moderni, "dice il professor 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 autori del nuovo Comunicazioni sulla natura carta sono ricercatori UNSW Kok Wai Chan, Bas Hensen, Wister Huang, Tuomo Tanttu, Enrico Yang, Arne Laucht, Fay Hudson e Andrea Morello, così come Menno Veldhorst di QuTech e TU Delft, Thaddeus Ladd di HRL Laboratories e Kohei Itoh della Keio University in Giappone.

Commercializzazione della proprietà intellettuale di CQC2T

Nel 2017, un consorzio di governi australiani, l'industria e le università hanno costituito la prima società australiana di computer quantistici a commercializzare la proprietà intellettuale leader a livello mondiale di CQC2T.

Operare da nuovi laboratori all'UNSW, Silicon Quantum Computing Pty Ltd (SQC) ha l'obiettivo di produrre un dispositivo dimostrativo a 10 qubit in silicio entro il 2022, come precursore della creazione di un computer quantistico basato sul silicio.

Il lavoro di Dzurak e del suo team sarà uno dei componenti di SQC che realizzerà questa ambizione. Gli scienziati e gli ingegneri dell'UNSW presso CQC2T stanno sviluppando approcci brevettati paralleli utilizzando qubit a singolo atomo e punti quantici.

A maggio 2018, l'allora primo ministro australiano, Malcom Turnbull, e il Presidente della Francia, Emanuele Macron, ha annunciato la firma di un Memorandum of Understanding (MoU) che affronta una nuova collaborazione tra SQC e l'organizzazione francese di ricerca e sviluppo leader a livello mondiale, Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternative (CEA).

Il protocollo d'intesa ha delineato i piani per formare una joint venture nella tecnologia di calcolo quantistico silicio-CMOS per accelerare e focalizzare lo sviluppo tecnologico, oltre a cogliere opportunità di commercializzazione, unendo gli sforzi francesi e australiani per sviluppare un computer quantistico.

La proposta joint venture franco-australiana riunirebbe il team di Dzurak, situato a UNSW, con un team guidato dalla dott.ssa Maud Vinet del CEA, che sono esperti nella tecnologia di produzione CMOS avanzata, e che hanno anche recentemente dimostrato un qubit di silicio realizzato utilizzando la loro struttura di prototipazione su scala industriale a Grenoble.

Si stima che le industrie che rappresentano circa il 40% dell'attuale economia australiana potrebbero essere significativamente influenzate dall'informatica quantistica.

Le possibili applicazioni includono la progettazione di software, apprendimento automatico, programmazione e pianificazione logistica, analisi finanziaria, modellizzazione del mercato azionario, verifica software e hardware, modellistica climatica, progettazione e test rapidi di farmaci, e la diagnosi precoce e la prevenzione delle malattie.