Equipos de investigación de todo el mundo están explorando diferentes formas de diseñar un chip informático que funcione y que pueda integrar interacciones cuánticas. Ahora, Los ingenieros de UNSW creen que han resuelto el problema, Reimaginando los microprocesadores de silicio que conocemos para crear un diseño completo para un chip de computadora cuántica que se puede fabricar utilizando principalmente procesos y componentes estándar de la industria.

El nuevo diseño de chip, publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza , detalla una arquitectura novedosa que permite realizar cálculos cuánticos utilizando componentes semiconductores existentes, conocido como CMOS (semiconductor de óxido de metal complementario):la base de todos los chips modernos.

Fue ideado por Andrew Dzurak, director de la Instalación Nacional de Fabricación de Australia en la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW), y el Dr. Menno Veldhorst, autor principal del artículo que era investigador en la UNSW cuando se realizó el trabajo conceptual.

"A menudo pensamos en aterrizar en la Luna como la mayor maravilla tecnológica de la humanidad, "dijo Dzurak, quien también es un líder de programa en el famoso Centro de Excelencia de Tecnología de Computación y Comunicación Cuántica de Australia (CQC2T). "Pero crear un chip de microprocesador con mil millones de dispositivos operativos integrados para funcionar como una sinfonía, ¡que puede llevar en el bolsillo! Es un logro técnico asombroso, y uno que ha revolucionado la vida moderna.

"Con la computación cuántica, estamos al borde de otro salto tecnológico que podría ser tan profundo y transformador. Pero un diseño de ingeniería completo para realizar esto en un solo chip ha sido difícil de alcanzar. Creo que lo que hemos desarrollado en UNSW ahora lo hace posible. Y más importante, se puede fabricar en una moderna planta de fabricación de semiconductores, "añadió.

Veldhorst, ahora líder de equipo en tecnología cuántica en QuTech, una colaboración entre la Universidad Tecnológica de Delft y TNO, la Organización de los Países Bajos para la Investigación Científica Aplicada - dijo que el poder del nuevo diseño es que, por primera vez, traza un camino de ingeniería concebible hacia la creación de millones de bits cuánticos, o qubits.

"Por notables que sean, Los chips de computadora actuales no pueden aprovechar los efectos cuánticos necesarios para resolver los problemas realmente importantes que resolverán las computadoras cuánticas. Para resolver problemas que abordan los principales desafíos globales, como el cambio climático o enfermedades complejas como el cáncer, generalmente se acepta que necesitaremos millones de qubits trabajando en conjunto. Para hacer eso, necesitaremos empaquetar qubits juntos e integrarlos, como hacemos con los chips de microprocesador modernos. Eso es lo que pretende lograr este nuevo diseño.

"Nuestro diseño incorpora conmutadores de transistores de silicio convencionales para 'encender' las operaciones entre qubits en una amplia matriz bidimensional, utilizando un protocolo de selección de 'palabra' y 'bit' basado en cuadrícula similar al utilizado para seleccionar bits en un chip de memoria de computadora convencional, ", agregó." Al seleccionar electrodos por encima de un qubit, podemos controlar el giro de un qubit, que almacena el código binario cuántico de un 0 o 1. Y seleccionando electrodos entre los qubits, interacciones lógicas de dos qubit, o cálculos, se puede realizar entre qubits ".

Una computadora cuántica expande exponencialmente el vocabulario del código binario utilizado en las computadoras modernas mediante el uso de dos principios espeluznantes de la física cuántica, a saber, 'entrelazamiento' y 'superposición'. Los Qubits pueden almacenar un 0, un 1, o una combinación arbitraria de 0 y 1 al mismo tiempo. Y así como una computadora cuántica puede almacenar múltiples valores a la vez, para que pueda procesarlos simultáneamente, haciendo múltiples operaciones a la vez.

Esto permitiría que una computadora cuántica universal fuera millones de veces más rápida que cualquier computadora convencional a la hora de resolver una serie de problemas importantes.

Pero para resolver problemas complejos, una computadora cuántica universal útil necesitará una gran cantidad de qubits, posiblemente millones, porque todos los tipos de qubits que conocemos son frágiles, e incluso los pequeños errores se pueden convertir rápidamente en respuestas incorrectas.

"Por lo tanto, debemos utilizar códigos de corrección de errores que empleen varios qubits para almacenar un único dato, ", dijo Dzurak." Nuestro modelo de chip incorpora un nuevo tipo de código de corrección de errores diseñado específicamente para spin qubits, e implica un protocolo sofisticado de operaciones en millones de qubits. Es el primer intento de integrar en un solo chip todos los circuitos de silicio convencionales necesarios para controlar y leer los millones de qubits necesarios para la computación cuántica ".

"Esperamos que aún se requieran modificaciones en este diseño a medida que avanzamos hacia la fabricación, pero todos los componentes clave que se necesitan para la computación cuántica están aquí en un solo chip. Y eso es lo que se necesitará si queremos hacer de las computadoras cuánticas un caballo de batalla para cálculos que van mucho más allá de las computadoras actuales. "Dzurak agregó." Muestra cómo integrar los millones de qubits necesarios para realizar la verdadera promesa de la computación cuántica ".

La construcción de una computadora cuántica universal de este tipo se ha denominado la "carrera espacial del siglo XXI". Para una variedad de cálculos, serán mucho más rápidos que las computadoras existentes, y para algunos problemas desafiantes, pudieron encontrar soluciones en días, tal vez incluso horas, cuando las mejores supercomputadoras de hoy tardarían millones de años.

Hay al menos cinco enfoques principales de computación cuántica que se están explorando en todo el mundo:qubits de espín de silicio, trampas de iones, bucles superconductores, vacantes de diamantes y qubits topológicos; El diseño de UNSW se basa en qubits de espín de silicio. El principal problema con todos estos enfoques es que no existe un camino claro para escalar el número de bits cuánticos hasta los millones necesarios sin que la computadora se convierta en un sistema enorme que requiera equipos de soporte voluminosos e infraestructura costosa.

Es por eso que el nuevo diseño de UNSW es ​​tan emocionante:confiando en su enfoque de qubit de espín de silicio, que ya imita gran parte de los dispositivos de estado sólido en silicio que son el corazón de la industria mundial de semiconductores de 380 mil millones de dólares, muestra cómo encajar el error de qubit de espín en cola de milano corregir el código en diseños de chips existentes, permitiendo la verdadera computación cuántica universal.

A diferencia de casi todos los demás grupos importantes en otros lugares, El esfuerzo de computación cuántica de CQC2T se centra obsesivamente en la creación de dispositivos de estado sólido en silicio, a partir del cual se fabrican todos los chips de computadora del mundo. Y no solo están creando diseños ornamentados para mostrar cuántos qubits se pueden empaquetar juntos, pero con el objetivo de construir qubits que algún día puedan ser fácilmente fabricados y ampliados.

"Está un poco barrido debajo de la alfombra, pero para la computación cuántica a gran escala, vamos a necesitar millones de qubits, "dijo Dzurak." Aquí, mostramos una forma en que los qubits de espín se pueden escalar masivamente. Y esa es la clave ".

El diseño es un salto adelante en qubits de espín de silicio; fue solo hace dos años, en un artículo de Nature, que mostraron Dzurak y Veldhorst, por primera vez, cómo se podrían realizar los cálculos de lógica cuántica en un dispositivo de silicio real, con la creación de una puerta lógica de dos qubit, el bloque de construcción central de una computadora cuántica.

"Esos fueron los primeros pasos de bebé, las primeras demostraciones de cómo convertir este concepto radical de computación cuántica en un dispositivo práctico utilizando componentes que sustentan toda la computación moderna, "dijo Mark Hoffman, Decano de Ingeniería de la UNSW. "Nuestro equipo tiene ahora un plan para ampliarlo drásticamente.

"Hemos estado probando elementos de este diseño en el laboratorio, con resultados muy positivos. Solo tenemos que seguir construyendo sobre eso, que sigue siendo un gran desafío, pero la base está ahí, y es muy alentador. Todavía se necesitará una gran ingeniería para llevar la computación cuántica a la realidad comercial, pero claramente el trabajo que vemos de este extraordinario equipo en CQC2T pone a Australia en el asiento del conductor, "añadió.

Otros investigadores de CQC2T involucrados en el diseño publicado en el artículo de Nature Communications fueron Henry Yang y Gertjan Eenink, el último de los cuales se ha unido a Veldhorst en QuTech.

El equipo de UNSW ha llegado a un acuerdo de 83 millones de dólares australianos entre UNSW, Telstra, Commonwealth Bank y los gobiernos de Australia y Nueva Gales del Sur para desarrollar, para 2022, un prototipo de circuito integrado cuántico de silicio de 10 qubit, el primer paso en la construcción de la primera computadora cuántica del mundo en silicio.

En agosto, los socios lanzaron Silicon Quantum Computing Pty Ltd, La primera empresa de computación cuántica de Australia, para avanzar en el desarrollo y comercialización de las tecnologías únicas del equipo. El gobierno de Nueva Gales del Sur prometió 8,7 millones de dólares australianos, UNSW A $ 25 millones, el Commonwealth Bank A $ 14 millones, Telstra A $ 10 millones y el Gobierno de Australia A $ 25 millones.