Billede: Tony Melov/UNSW
Der er uger, hvor det virker som om hvert stykke af fysik nyheder nævner quantum computing—men vi er ikke i nærheden af en quantum iPhone. Du husker sikkert, at computere kan bestå af milliarder af nanometer-skala transistorer ætset ind i silicium. De chips bruges til at være enorme, værelses-store opsætninger, hvor der i stedet for transistorer, der var rør størrelse-pærer. Fysikere i quantum computing verden, der stadig forsøger at udvælge det bedste vakuum rør.
Overskrifter opstået i dag at nævne, at en ny slags “øjebliksbillede”, der kunne gøre quantum computere lettere. Men ville det hjælpe først at forstå, hvor quantum computing er samlet.
Her er en hurtig quantum computing opsummere. Almindelig computer bits gemme oplysninger med en binær ja-nej-system, som en ledning med eller uden strøm. En kvante-bit, eller farsere, i stedet bygger på den probabilistiske karakter af kvantemekanikken: i stedet for ja og nej, der er et par valg med en tilhørende sandsynlighed for hver. Der er algoritmer, i videnskab og kunstig intelligens, der kan køre hurtigere eller effektivt med sådan et edb-system. Der er nogle mekaniske systemer, som butikken qubits, men de har vist sig dyrt, klodset, eller som er svære at holde i, at skrøbelige quantum state uden at bryde sammen i et klassisk bit med en sandsynlighed på 100 procent ja eller nej.
Et team af forskere ved University of New South Wales i Australien og Purdue University i USA har nu en plan for en ny form for bendt, og derfor er en ny form for quantum computing system, der er indbygget i silicium ligesom dele af en almindelig computer. Et sådant system kunne potentielt være vigtigt som en skalérbar, pladsbesparende farsere, der forbliver quantum. Men om det vil arbejde på fortsat at blive set; en person, der rent faktisk skal til at bygge en computer, der er baseret på det.
“Dette design giver en realisérbar plan for, skalerbart tur-baseret quantum computere i silicium,” skriver forfatterne i det papir, der blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Nature Communications.
Det papir, der bygger på Bruce Kane ‘ s velkendte 1998 quantum computer forslag i Naturen, hvor qubits er gemt som egenskaber atomer, og udføre computer-operationer er udført ved at anvende et elektrisk felt. Holdet foreslår, hvad de kalder “flip-flop qubits,” hvor en fosfor-atom sidder i en silicium halvleder. Elektronen og kernen både indeholder iboende egenskaber, kaldet “spin”, der kan antage værdier, der hedder “op” og “ned” (spin er en ejendom, der er indbygget i partikler som magnetisme er indbygget i køleskab magneter). Flip-flop bendt ‘s ettaller og nuller blive gemt, når et elektrisk felt får elektronen og kernen’ spins, til det klikker på modsatte tilstande, hvor den ene op og den anden ned, eller vice versa.
Disse qubits ville have et par fordele, siger forskerne: De ville have meget lave fejlprocenter, for eksempel. Qubits er skrøbelige ting, så nogen i den virkelige verden quantum computer skal stadig arbejde, uanset om nogle af sine qubits falde fra hinanden, og fejl skal være så sjældent som muligt. Disse qubits er også bygget ind i silicium, og styres af elektriske felter, hvilket betyder, at de potentielt kan være integreret i silicium-chips. Den qubits kan interagere med hinanden over store afstande, hvilket giver plads til andre ikke-quantum stykker af quantum computer. Men forfatterne påpeger, at for nogle udfordringer, der findes, herunder håndtering af støj og fononer (bittesmå vibrationer).
Dette er blot en af flere ideer forskere har for qubits. Virksomheder er allerede pløjning forud bygning quantum computere—du har måske hørt om den kontroversielle D-Bølge computer med to tusind qubits (det er langt mindre kraftfuld end forskere ønsker, og der er debat om, hvorvidt det kan udkonkurrere enhver klassiske computere). D-Wave er baseret på superledere til at skabe sin qubits, materialer med ingen elektronisk modstand, der viser kvantemekaniske effekter på makroskopiske skalaer. Der er også gældende ion-fælder, hvor atomer på en overflade er fanget af elektriske felter, og optik løsninger, hvor bendt oplysninger bliver gemt på lys partikler eller fotoner.
For så vidt som dette seneste idé går, det er potentielt en stor forhånd, Na Unge Kim, Associate Professor ved University of Waterloo ‘ s Institute for Quantum Computing fortalte Gizmodo i en e-mail. “I det øjeblik, ion-fælder og superledende systemer synes at stå i forreste linje, men der er store hindringer at overvinde. Silicium-systemer kan have et stort potentiale for at skalere op, hvis en robust design er størknet,” og oversat til stede silicium teknologier, sagde hun. “I den forstand, at dette arbejde sikkert skubber silicium-systemer tættere på den næste fase af quantum computing udvikling.”
Det er vigtigt at være realistisk med alt dette selv. Martin LaForest, senior manager, videnskabelige samarbejde også på Institute for Quantum Computing ved University of Waterloo fortalte mig for nylig, at vi nu ved krydset, hvor fysisk quantum computer tegninger er begyndt at mødes teoretiske efterspørgsel, der kræves for at høste quantum computing ‘ s ydelser. Men vi er stadig en måder slået fra fra en computer, som forskere rent faktisk bruger. Chris Wright (igen fra IQC) fortalte mig for nylig, at en kvante-computer, der fungerer på den måde, du tænker, når du hører “computer” ville kræve eventuelt en hundrede tusind fysiske qubits. “Du taler om en maskine, der ligner en moderne supercomputer, noget, der fylder et lager,” sagde han.
I sidste ende, er denne seneste udvikling er en plan for, hvad der potentielt kunne være nogle vigtige quantum computer hardware. Selv stadig, ikke forvente at se en kvante-computer i din office, til enhver tid snart (du ved, medmindre du arbejder hos IBM eller Google).
[Nature Communications]