Bild: Tony Melov/UNSW
Es gibt Wochen, wo es scheint, wie jedes Stück von Physik-news erwähnt quantum computing—aber wir sind nirgendwo in der Nähe ein quantum iPhone. Sie erinnern sich wahrscheinlich, dass Computer besteht aus Milliarden von nanometer-Skala transistoren geätzt in Silizium. Diese chips verwendet werden, um riesige, raumgreifende Installationen, in denen anstelle der transistoren, waren Röhren die Größe der Glühbirnen. Die Physiker der Quanten-computing-Welt sind immer noch versuchen, wählen Sie die beste Vakuum-Röhren.
Schlagzeilen tauchte heute zu erwähnen, eine neue Art von “Qubits”, die von Quanten-Computern leichter. Aber es würde helfen, zu verstehen, wo quantum computing ist insgesamt.
Hier ist eine schnelle Quanten-computing Zusammenfassung. Regelmäßige computer-bits speichern von Informationen mit einer binären ja-Nein-system, wie ein Draht mit oder ohne Strom. Ein Quanten-bit oder qubit, stattdessen verlässt sich auf die probabilistische Natur der Quantenmechanik: statt ja und Nein, es gibt ein paar Optionen, die mit einer zugehörigen Wahrscheinlichkeit für jeden. Es gibt algorithmen, die in Wissenschaft und künstliche Intelligenz könnte mehr schnell oder effizient mit solch einem EDV-system. Es gibt einige mechanische Systeme, die speichern qubits, aber Sie haben bewiesen, teuer, sperrig oder schwierig zu halten, dass fragile Quantenzustand, ohne kollabiert zu einem klassischen bit, das mit einer Wahrscheinlichkeit von 100 Prozent, ja oder Nein.
Ein team von Forschern an der University of New South Wales in Australien und an der Purdue University in den USA haben nun eine Blaupause für eine neue Art von qubit und daher eine neue Art von Quanten-computing-system, eingebaut im Silizium genau wie die Teile von einem normalen computer. Ein solches system könnte möglicherweise wichtig sein, wie eine skalierbare, platzsparende qubit, bleibt quantum. Aber ob es funktionieren wird, bleibt abzuwarten, jemand wirklich braucht, einen computer zu bauen, die auf ihm basieren.
“Dieses design ermöglicht es, einen realisierbaren Entwurf für skalierbare spin-basierte Quantencomputer in Silizium”, schreiben die Autoren in dem Papier, veröffentlicht heute in der Fachzeitschrift Nature Communications.
Das Papier baut auf Bruce Kane bekannt ist 1998 Quantencomputer Vorschlag in der Natur, wo qubits gespeichert werden, Eigenschaften der Atome, und die Durchführung der computer-Operationen erfolgt durch die Anwendung eines elektrischen Feldes. Das team schlägt vor, was Sie als “flip-flop-qubits”, wo ein Phosphor-atom sitzt in einem Silizium-Halbleiter. Das Elektron und den Kern enthalten beide die inhärenten Eigenschaften namens “spin”, die davon ausgehen können Werte als “up” und “down” (“spin” ist eine Eigenschaft eingebaut, Partikel, wie Magnetismus integrierte Magnete). Die flip-flop-qubit Einsen und Nullen werden gespeichert, wenn ein elektrisches Feld bewirkt, dass das Elektron und Kern’ dreht, um ein einrasten in entgegengesetzte Zustände, einer nach oben und der andere unten, oder Umgekehrt.
Diese qubits hätte ein paar Vorteile, sagen die Forscher: Sie würden haben eine sehr geringe Fehlerquote, zum Beispiel. Qubits sind zerbrechliche Dinge, so dass jeder real-world-Quanten-computer müssen immer noch arbeiten, unabhängig davon, ob einige seiner qubits auseinander fallen, und Fehler sollten so selten wie möglich. Diese Zustände sind auch in Silizium und gesteuert durch die elektrischen Felder, das heißt, Sie könnte möglicherweise integriert in Silizium-chips. Die qubits können miteinander über große Distanzen, die Raum lässt für andere non-quantum Stücke der Quanten-computer. Aber die Autoren weisen darauf hin, dass einige Herausforderungen bestehen, wozu auch der Umgang mit Lärm und Phononen (kleine Schwingungen).
Dies ist nur eine von mehreren Ideen, die Forscher haben für quantenbits. Unternehmen sind bereits Pflügen vor Quantencomputer—Sie haben vielleicht gehört von den umstrittenen D-Wave-computer mit zwei tausend qubits (das ist weit weniger mächtig, als die Wissenschaftler wollen würde, und es gibt Debatte darüber, ob es an Leistung übertreffen können klassische Computer). Die D-Welle setzt auf Supraleitern zu schaffen, die geeignet ist, Materialien mit nicht elektronischen Widerstand, die zeigen, dass quantenmechanische Effekte an makroskopischen Skalen. Es gibt auch bestehende Ionenfallen, in denen die Atome auf einige Oberfläche gefangen sind, die durch elektrische Felder und Optik-Lösungen, wo die qubit-information gespeichert wird, die auf das Licht Teilchen oder Photonen.
Soweit diese neueste Idee geht, ist es potenziell einen großen Fortschritt, Na Young Kim, Associate Professor an der University of Waterloo, Institute for Quantum Computing erzählt Gizmodo in einer E-Mail. “In dem moment, Ionenfallen und supraleitende Systeme scheinen, stehen in der vordersten Linie, aber es gibt große Hürden zu überwinden. Silizium-Systeme haben ein großes Potenzial zum scale-up, wenn ein robustes design verfestigt”, und übersetzt zu präsentieren Silizium-Technologien, sagte Sie. “In diesem Sinne ist diese Arbeit sicherlich drückt Silizium-Systeme näher an die nächste phase der Quantencomputer-Entwicklung.”
Es ist wichtig zu bleiben Sie realistisch mit all diesen, obwohl. Martin LaForest, senior manager scientific outreach auch am Institute for Quantum Computing der University of Waterloo hat mir neulich gesagt, dass wir jetzt an der Kreuzung, wo physikalische Quanten-computer Baupläne sind, beginnen sich zu erfüllen theoretischen Bedarf zu ernten, quantum computing und seine Vorteile. Aber wir sind noch einen weiten Weg von einem computer, der Wissenschaftler tatsächlich nutzen. Chris Wright (wieder von der IQC) erzählte mir kürzlich, dass ein Quanten-computer, der so funktioniert, wie Sie denken, wenn Sie hören, “computer” benötigen würde möglicherweise ein hundert tausend physikalischen qubits. “Sie reden über eine Maschine, die aussieht wie eine moderne supercomputer, etwas, das füllt die Lager”, sagte er.
Letztlich ist diese neueste Entwicklung ist eine Blaupause für das, was könnte möglicherweise werden einige wichtige Quanten-computer-hardware. Sogar noch, nicht erwarten, zu sehen a quantum computer in Ihrem Büro, in absehbarer Zeit (Sie wissen, es sei denn, Sie arbeiten bei IBM oder Google).
[Nature Communications]