Istraživači sa univerziteta u Melburnu i Mančesteru izmislili su revolucionarnu tehniku za proizvodnju visoko prečišćenog silicijuma koja donosi moćne kvantne računare za veliki korak bliže.
Nova tehnika za projektovanje ultra čistog silicijuma čini ga savršenim materijalom za pravljenje kvantnih računara u obimu i sa visokom preciznošću, kažu istraživači.
Ko-supervizor projekta, profesor Dejvid Džejmison, sa Univerziteta u Melburnu, rekao je da inovacija, objavljena u Communications Materials, koristi kubite atoma fosfora implantirane u kristale čistog stabilnog silicijuma i da bi mogla da prevaziđe kritičnu barijeru kvantnom računarstvu produžavajući trajanje notori. krhka kvantna koherentnost.
„Krhka kvantna koherentnost znači da se greške u računarstvu brzo povećavaju. Uz robusnu koherentnost koju obezbeđuje naša nova tehnika, kvantni računari bi mogli da reše za nekoliko sati ili minuta neke probleme za koje bi konvencionalnim ili ‘klasičnim’ računarima — čak i superkompjuterima — bili potrebni vekovi“, rekao je profesor Džejmison.
Kvantni bitovi ili kubiti — građevni blokovi kvantnih računara — podložni su malim promenama u svom okruženju, uključujući temperaturne fluktuacije. Čak i kada rade u mirnim frižiderima blizu apsolutne nule (minus 273 stepena Celzijusa), trenutni kvantni računari mogu da održe koherentnost bez grešaka samo za mali delić sekunde.
Ko-supervizor Univerziteta u Mančesteru, profesor Ričard Kari, rekao je da je ultra-čisti silicijum omogućio izgradnju kubit uređaja visokih performansi – kritične komponente koja je potrebna da bi se otvorio put ka skalabilnim kvantnim računarima.
„Ono što smo uspeli da uradimo je da efektivno stvorimo kritičnu ‘ciglu’ potrebnu za konstruisanje kvantnog računara zasnovanog na silicijumu. To je ključni korak ka pravljenju tehnologije koja ima potencijal da bude transformativna za čovečanstvo“, rekao je profesor Kari.
Vodeći autor Ravi Ačarja, zajednički stipendista Univerziteta u Mančesteru i Univerziteta u Melburnu Kukson, rekao je da je velika prednost kvantnog računarstva sa silicijumskim čipom u tome što koristi iste osnovne tehnike koje prave čipove koji se koriste u današnjim računarima.
„Elektronski čipovi koji se trenutno nalaze u svakodnevnom računaru sastoje se od milijardi tranzistora — oni se takođe mogu koristiti za kreiranje kubita za kvantne uređaje zasnovane na silicijumu. Mogućnost stvaranja visokokvalitetnih silicijumskih kubita je delimično ograničena do danas čistoćom silicijuma korišćeni početni materijal Relativna čistoća koju ovde pokazujemo rešava ovaj problem.
Profesor Džejmison je rekao da novi visoko prečišćeni silicijumski kompjuterski čipovi čuvaju i štite kubite tako da mogu da održe kvantnu koherentnost mnogo duže, omogućavajući složene proračune sa znatno smanjenom potrebom za ispravljanjem grešaka.
„Naša tehnika otvara put ka pouzdanim kvantnim računarima koji obećavaju korake promene širom društva, uključujući veštačku inteligenciju, bezbedne podatke i komunikacije, dizajn vakcina i lekova i korišćenje energije, logistiku i proizvodnju“, rekao je on.
Silicijum — napravljen od peska na plaži — je ključni materijal za današnju industriju informacionih tehnologija jer je obilan i svestran poluprovodnik: može delovati kao provodnik ili izolator električne struje, u zavisnosti od toga koji drugi hemijski elementi mu se dodaju.
„Drugi eksperimentišu sa alternativama, ali verujemo da je silicijum vodeći kandidat za kvantne kompjuterske čipove koji će omogućiti trajnu koherentnost potrebnu za pouzdane kvantne proračune“, rekao je profesor Džejmison.
„Problem je u tome što je silicijum koji se pojavljuje u prirodi uglavnom poželjan izotop silicijum-28, ali ima i oko 4,5 odsto silicijum-29. Silicijum-29 ima dodatni neutron u jezgru svakog atoma koji deluje kao mali lažni magnet, uništavajući kvantnu koherentnost i stvarajući računarske greške“, rekao je on.
Istraživači su usmerili fokusirani, brzi snop čistog silicijum-28 na silicijumski čip, tako da je silicijum-28 postepeno zamenio atome silicijuma-29 u čipu, smanjujući silicijum-29 sa 4,5% na dva dela na milion (0,0002 procenta). ).
„Sjajna vest je da prečistimo silicijum do ovog nivoa, sada možemo da koristimo standardnu mašinu — jonski implantator — koju biste našli u bilo kojoj laboratoriji za proizvodnju poluprovodnika, podešenu na specifičnu konfiguraciju koju smo dizajnirali“, rekao je profesor Džejmison.
U prethodno objavljenom istraživanju sa ARC Centrom izvrsnosti za kvantno računanje i komunikacionu tehnologiju, Univerzitet u Melburnu je postavio — i još uvek drži — svetski rekord za jednokubitnu koherentnost od 30 sekundi koristeći silicijum koji je bio manje prečišćen. Trideset sekundi je dovoljno vremena za dovršenje složenih kvantnih proračuna bez grešaka.
Profesor Džejmison je rekao da najveći postojeći kvantni računari imaju više od 1.000 kubita, ali su se greške dešavale u roku od milisekundi zbog izgubljene koherentnosti.
„Sada kada možemo da proizvedemo izuzetno čist silicijum -28, naš sledeći korak će biti da pokažemo da možemo da održimo kvantnu koherentnost za mnogo kubita istovremeno. Pouzdan kvantni računar sa samo 30 kubita bi premašio snagu današnjih superkompjutera za neke aplikacije“, rekao je.
Izveštaj australijskog CSIRO-a za 2020. procenjuje da kvantno računarstvo u Australiji ima potencijal da stvori 10.000 radnih mesta i 2,5 milijardi dolara godišnjeg prihoda do 2040. godine.
„Naše istraživanje nas značajno približava realizaciji ovog potencijala“, rekao je profesor Džejmison.
