שיתוף פעולה בין אוניברסיטאות מלבורן ומנצ'סטר הוביל לשיטה פורצת דרך לייצור סיליקון טהור במיוחד, תוך שיפור הפוטנציאל למחשבים קוונטיים מדרגיים ומדויקים. טכניקה זו מרחיבה את הקוהרנטיות הקוונטית, מפחיתה משמעותית את שגיאות המחשוב ומאפשרת חישובים מורכבים העולים על המחשבים המסורתיים.
חוקרים באוניברסיטאות מלבורן ומנצ'סטר המציאו טכניקה פורצת דרך לייצור סיליקון מטוהר במיוחד, שמקרבת את המחשבים הקוונטים החזקים צעד גדול יותר.
הטכניקה החדשה להנדסת סיליקון טהור במיוחד הופכת אותו לחומר המושלם לייצור מחשבים קוונטיים בקנה מידה ובעל דיוקאומרים החוקרים.
שיפור הקוהרנטיות הקוונטית
מנחה הפרויקט פרופסור דיוויד ג'יימיסון, מאוניברסיטת מלבורן, אמר כי החידוש – פורסם היום (7 במאי 2024) ב- חומר תקשורתialsא טֶבַע יומן – משתמש בקווביטים של אטומי זרחן שהושתלו בגבישים של סיליקון יציב טהור ויכול להתגבר על מחסום קריטי ל מחשוב קוונטי על ידי הארכת משך הזמן של שביר ידוע לשמצה קוהרנטיות קוונטית.
"קוהרנטיות קוונטית שביר פירושה שגיאות מחשוב מצטברות במהירות. עם קוהרנטיות איתנה שמספקת הטכניקה החדשה שלנו, מחשבים קוונטיים יכולים לפתור תוך שעות או דקות כמה בעיות שייקחו למחשבים קונבנציונליים או 'קלאסיים' – אפילו מחשבי-על – מאות שנים", אמר פרופסור ג'יימיסון.
קיוביט – כגון גרעין אטום, אלקטרון או פוטון – הוא עצם קוונטי כאשר הוא נמצא בסופרפוזיציה קוונטית של מספר מצבים. הקוהרנטיות אובדת כאשר הקיוביט חוזר למצב בודד והופך לאובייקט קלאסי כמו סיבית מחשב קונבנציונלית, שהיא תמיד אחת או אפס ולעולם לא בסופרפוזיציה.
סיביות קוונטיות או קיוביטים – אבני הבניין של מחשבים קוונטיים – רגישים לשינויים זעירים בסביבתם, כולל תנודות טמפרטורה. גם כאשר מופעל במקררים שקטים ליד אפס מוחלט (מינוס 273 מעלות צֶלסִיוּס), מחשבים קוונטיים נוכחיים יכולים לשמור על קוהרנטיות נטולת שגיאות רק לשבריר שנייה זעיר.
מפקח משותף באוניברסיטת מנצ'סטר, פרופסור ריצ'רד קארי, אמר שסיליקון טהור במיוחד מאפשר בנייה של התקני קיוביט בעלי ביצועים גבוהים – מרכיב קריטי הנדרש כדי לסלול את הדרך לעבר מחשבים קוונטיים ניתנים להרחבה.
"מה שהצלחנו לעשות הוא ליצור ביעילות 'לבנה' קריטית הדרושה לבניית מחשב קוונטי מבוסס סיליקון. זהו צעד מכריע ליצירת טכנולוגיה שיש לה פוטנציאל להיות טרנספורמטיבי עבור המין האנושי", אמר פרופסור קארי.
המחבר הראשי וסטודנט משותף לאוניברסיטת מלבורן/אוניברסיטת מנצ'סטר, Ravi Acharya, מכין שבב סיליקון להעשרה במעבדת קרן יונים ממוקדת P-NAME של אוניברסיטת מנצ'סטר. קרדיט: אוניברסיטת מלבורן/אוניברסיטת מנצ'סטר
תפקידו של סיליקון בטכנולוגיה קוונטית
המחבר הראשי Ravi Acharya, מלומד משותף מאוניברסיטת מנצ'סטר/אוניברסיטת מלבורן קוקסון, אמר שהיתרון הגדול של מחשוב קוונטי של שבבי סיליקון הוא שהשתמש באותן טכניקות חיוניות שמייצרות את השבבים המשמשים במחשבים של ימינו.
"שבבים אלקטרוניים כיום בתוך מחשב יומיומי מורכבים ממיליארדי טרנזיסטורים — אלה יכולים לשמש גם ליצירת קיוביטים עבור התקנים קוונטיים מבוססי סיליקון. היכולת ליצור קיוביטים סיליקון באיכות גבוהה הוגבלה בחלקה עד היום על ידי טוהר חומר המוצא של הסיליקון המשמש. הטוהר פורץ הדרך שאנו מראים כאן פותר את הבעיה הזו".
פרופסור ג'יימיסון אמר ששבבי המחשב החדשים מסיליקון מטוהרים מכילים ומגנים על הקיוביטים כך שהם יכולים לשמור על קוהרנטיות קוונטית הרבה יותר זמן, מה שמאפשר חישובים מורכבים עם צורך מופחת מאוד בתיקון שגיאות.
"הטכניקה שלנו פותחת את הדרך למחשבים קוונטיים אמינים המבטיחים שינויים צעדים ברחבי החברה, כולל בבינה מלאכותית, נתונים ותקשורת מאובטחים, עיצוב חיסונים ותרופות, ושימוש באנרגיה, לוגיסטיקה וייצור", אמר.
סיליקון – עשוי מחול חוף – הוא חומר המפתח לתעשיית טכנולוגיית המידע של ימינו מכיוון שהוא שופע ורב-תכליתי מוֹלִיך לְמֶחֱצָה: הוא יכול לשמש כמוליך או מבודד של זרם חשמלי, תלוי אילו יסודות כימיים נוספים מתווספים לו.
"אחרים מתנסים בחלופות, אבל אנחנו מאמינים שסיליקון הוא המועמד המוביל לשבבי מחשב קוונטיים שיאפשרו את הקוהרנטיות המתמשכת הנדרשת לחישובים קוונטיים אמינים", אמר פרופסור ג'יימיסון.
מחברים שותפים (משמאל) פרופ' דיוויד ג'יימיסון (אוניברסיטת מלבורן) וד"ר מדיסון קוק (מימין) בודקים את מערכת אלומת היונים הממוקדת P-NAME באוניברסיטת מנצ'סטר המשמשת לפרויקט העשרת הסיליקון. קרדיט: אוניברסיטת מלבורן / אוניברסיטת מנצ'סטר
סיליקון מטהר עבור מחשוב קוונטי
"הבעיה היא שבעוד שסיליקון טבעי הוא בעיקר האיזוטופ הרצוי סיליקון-28, יש גם כ-4.5 אחוז סיליקון-29. לסיליקון-29 יש נויטרון נוסף בכל אחד מהם אָטוֹםהגרעין של המתנהג כמו מגנט נוכל זעיר, הורס את הקוהרנטיות הקוונטית ויוצר שגיאות מחשוב", אמר.
החוקרים כיוונו אלומה ממוקדת ומהירה של סיליקון-28 טהור אל שבב סיליקון, כך שהסיליקון-28 החליף בהדרגה את אטומי הסיליקון-29 בשבב, והפחית את הסיליקון-29 מ-4.5 אחוז לשני חלקים למיליון (0.0002 אחוזים). ).
"החדשות הגדולות הן לטהר את הסיליקון לרמה זו, כעת נוכל להשתמש במכונה סטנדרטית – משתלת יונים – שתמצא בכל מעבדה לייצור מוליכים למחצה, מכוון לתצורה ספציפית שתכננו", אמר פרופסור ג'יימיסון.
סיכויי עתיד והשפעה
במחקר שפורסם בעבר עם ARC Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology, אוניברסיטת מלבורן קבעה – ועדיין מחזיקה – את שיא העולם לקוהרנטיות של קיוביט בודד של 30 שניות באמצעות סיליקון שהיה פחות מטוהר. 30 שניות הן מספיק זמן להשלמת חישובים קוונטיים מורכבים ללא שגיאות.
פרופסור ג'יימיסון אמר שלמחשבי הקוונטים הגדולים ביותר הקיימים היו יותר מ-1000 קיוביטים, אך שגיאות אירעו תוך אלפיות שניות עקב איבוד הקוהרנטיות.
"עכשיו, כשאנחנו יכולים לייצר סיליקון 28 טהור במיוחד, הצעד הבא שלנו יהיה להוכיח שאנחנו יכולים לשמור על קוהרנטיות קוונטית עבור קיוביטים רבים בו זמנית. מחשב קוונטי אמין עם 30 קיוביטים בלבד יעלה על ההספק של מחשבי העל של ימינו עבור יישומים מסוימים", אמר.
עבודה אחרונה זו נתמכה על ידי מענקי מחקר מממשלות אוסטרליה ובריטניה. שיתוף הפעולה של פרופסור ג'יימיסון עם אוניברסיטת מנצ'סטר נתמך על ידי מלגת ביקור של החברה המלכותית Wolfson.
דו"ח לשנת 2020 של CSIRO של אוסטרליה העריך שלמחשוב קוונטי באוסטרליה יש פוטנציאל ליצור 10,000 מקומות עבודה ו-2.5 מיליארד דולר בהכנסות שנתיות עד 2040.
"המחקר שלנו מקרב אותנו משמעותית למימוש הפוטנציאל הזה", אמר פרופסור ג'יימיסון.
