Los equipos de investigación de todo el mundo están explorando diferentes formas de diseñar un chip informático que funcione que pueda integrar interacciones cuánticas. Ahora, los ingenieros de UNSW creen que han resuelto el problema, reinventando los microprocesadores de silicio que conocemos para crear un diseño completo para una computadora cuánticachip que se puede fabricar utilizando principalmente procesos y componentes industriales estándar.
El nuevo diseño del chip, publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza , detalla una nueva arquitectura que permite realizar cálculos cuánticos utilizando componentes semiconductores existentes, conocidos 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, investigador de 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 Líder de Programa en el famoso Centro de Excelencia de Tecnología de Computación y Comunicación Cuántica CQC2T de Australia. "Pero crear un microprocesador conmil millones de dispositivos operativos integrados para funcionar como una sinfonía, que puedes llevar en el bolsillo, es un logro técnico asombroso y 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. Creo que lo que hemos desarrollado en UNSW ahora haceeso es posible. Y lo más importante, se puede hacer en una moderna planta de fabricación de semiconductores ", agregó.
Veldhorst, ahora líder de equipo en tecnología cuántica en QuTech, una colaboración entre la Universidad Tecnológica de Delft y TNO, la Organización Holandesa para la Investigación Científica Aplicada, dijo que el poder del nuevo diseño es que, por primera vez,traza un camino de ingeniería concebible para crear millones de bits cuánticos o qubits.
"Notables como son, los chips de computadora de hoy en día no pueden aprovechar los efectos cuánticos necesarios para resolver los problemas realmente importantes que las computadoras cuánticas resolverán. Los problemas que abordan los principales desafíos globales, como el cambio climático o enfermedades complejas como el cáncer, generalmente sonaceptado, necesitaremos millones de qubits trabajando en conjunto. Para hacer eso, tendremos que juntar qubits e integrarlos, como lo hacemos con los chips modernos de microprocesador. Eso es lo que este nuevo diseño pretende lograr.
"Nuestro diseño incorpora interruptores de transistor de silicio convencionales para 'activar' las operaciones entre qubits en una amplia matriz bidimensional, utilizando un protocolo de selección de 'palabra' y 'bit' basado en la cuadrícula similar al utilizado para seleccionar bits en un convencionalchip de memoria de computadora ", 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 qubits, ocálculos, se pueden 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 física cuántica, a saber, 'entrelazamiento' y 'superposición'. Qubits puede almacenar un 0, un 1 o una combinación arbitraria de0 y 1 al mismo tiempo, y así como una computadora cuántica puede almacenar múltiples valores a la vez, también puede procesarlos simultáneamente, realizando múltiples operaciones a la vez.
Esto permitiría que una computadora cuántica universal sea millones de veces más rápida que cualquier computadora convencional al resolver una variedad 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 pequeños errores pueden amplificarse rápidamente en respuestas incorrectas.
"Entonces, necesitamos usar códigos de corrección de errores que empleen múltiples qubits para almacenar una sola pieza de datos", dijo Dzurak. "Nuestro modelo de chip incorpora un nuevo tipo de código de corrección de errores diseñado específicamente para spin qubits, e involucra unprotocolo sofisticado de operaciones en los 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 a 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 chip. Y eso es lo que se necesitará si queremos hacer"Las computadoras cuánticas son un caballo de batalla para los cálculos que van mucho más allá de las computadoras actuales", agregó Dzurak. "Muestra cómo integrar los millones de qubits necesarios para cumplir la verdadera promesa de la computación cuántica".
Construir una computadora cuántica tan universal ha sido llamada la 'carrera espacial del siglo XXI'. Para una variedad de cálculos, serán mucho más rápidos que las computadoras existentes, y para algunos problemas desafiantes podrían encontrar soluciones en días, tal vez inclusohoras, cuando las mejores supercomputadoras de hoy tomarían millones de años.
Se están explorando al menos cinco enfoques principales de computación cuántica 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 queno 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 silicio qubit spin, que ya imita gran parte de los dispositivos de estado sólido en silicio que son el corazón de la industria global de semiconductores de US $ 380 mil millones, muestra cómocódigo de corrección de error de qubit de cola de milano en los diseños de chips existentes, lo que permite un verdadero cálculo cuántico universal.
A diferencia de casi cualquier otro grupo importante en otros lugares, el esfuerzo de computación cuántica de CQC2T se centra obsesivamente en crear dispositivos de estado sólido en silicio, de los cuales están hechos todos los chips de computadora del mundo. Y no solo están creando diseños ornamentados para mostrar cómomuchos qubits se pueden empaquetar juntos, pero con el objetivo de construir qubits que algún día podrían fabricarse fácilmente y ampliarse.
"Está un poco escondido 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 spin se pueden ampliar masivamente.Y esa es la clave "
El diseño es un salto adelante en qubits de giro de silicio; fue solo hace dos años, en un artículo en Nature, que Dzurak y Veldhorst mostraron, por primera vez, cómo se podían hacer cálculos de lógica cuántica en un dispositivo de silicio real,con la creación de una puerta lógica de dos qubits, el bloque de construcción central de una computadora cuántica.
"Esos fueron los primeros pasos pequeños, las primeras demostraciones de cómo convertir este concepto de computación cuántica radical en un dispositivo práctico que utiliza componentes que sustentan toda la computación moderna", dijo Mark Hoffman, Decano de Ingeniería de UNSW. "Nuestro equipo ahora tiene unplan para ampliar eso dramáticamente.
"Hemos estado probando elementos de este diseño en el laboratorio, con resultados muy positivos. Solo tenemos que seguir construyendo sobre eso, lo que sigue siendo un gran desafío, pero el trabajo preliminar 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 equipo extraordinario en CQC2T pone a Australia en el asiento del conductor", agregó.
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 unió a Veldhorst en QuTech.
El equipo de UNSW ha alcanzado un acuerdo de A $ 83 millones 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 qubits: el primer paso para construir elprimera computadora cuántica del mundo en silicio.
En agosto, los socios lanzaron Silicon Quantum Computing Pty Ltd, la primera compañía de computación cuántica de Australia, para avanzar en el desarrollo y comercialización de las tecnologías únicas del equipo. El gobierno de NSW prometió A $ 8.7 millones, UNSW A $ 25 millones, el Commonwealth Bank A $ 14millones, Telstra A $ 10 millones y el gobierno australiano A $ 25 millones.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Nueva Gales del Sur . Original escrito por Wilson da Silva. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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