Des équipes de recherche du monde entier explorent différentes manières de concevoir une puce informatique fonctionnelle pouvant intégrer les interactions quantiques. Maintenant, Les ingénieurs de l'UNSW pensent avoir résolu le problème, réinventer les microprocesseurs au silicium que nous connaissons pour créer une conception complète pour une puce informatique quantique qui peut être fabriquée en utilisant principalement des processus et des composants industriels standard.

La nouvelle conception de puce, publié dans la revue Communication Nature , détaille une nouvelle architecture qui permet d'effectuer des calculs quantiques à l'aide de composants semi-conducteurs existants, connu sous le nom de CMOS (complémentaire métal-oxyde-semiconducteur) - la base de toutes les puces modernes.

Il a été conçu par Andrew Dzurak, directeur de l'Australian National Fabrication Facility à l'Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW), et le Dr Menno Veldhorst, auteur principal de l'article qui était chercheur à l'UNSW lorsque le travail conceptuel a été effectué.

"Nous pensons souvent que l'atterrissage sur la Lune est la plus grande merveille technologique de l'humanité, " dit Dzurak, qui est également chef de programme au célèbre Centre d'excellence australien pour le calcul quantique et les technologies de communication (CQC2T). "Mais créer une puce de microprocesseur avec un milliard de dispositifs d'exploitation intégrés pour fonctionner comme une symphonie - que vous pouvez emporter dans votre poche ! - est une réalisation technique étonnante, et celui qui a révolutionné la vie moderne.

"Avec l'informatique quantique, nous sommes à la veille d'un autre saut technologique qui pourrait être aussi profond et transformateur. Mais une conception technique complète pour réaliser cela sur une seule puce a été insaisissable. Je pense que ce que nous avons développé à l'UNSW rend maintenant cela possible. Et, surtout, il peut être fabriqué dans une usine de fabrication de semi-conducteurs moderne, " il ajouta.

Veldhorst, maintenant chef d'équipe en technologie quantique chez QuTech - une collaboration entre l'Université de technologie de Delft et TNO, l'Organisation néerlandaise pour la recherche scientifique appliquée - a déclaré que la puissance de la nouvelle conception est que, pour la première fois, il trace une voie d'ingénierie concevable vers la création de millions de bits quantiques, ou qubits.

"Aussi remarquables qu'ils soient, les puces informatiques d'aujourd'hui ne peuvent pas exploiter les effets quantiques nécessaires pour résoudre les problèmes vraiment importants que les ordinateurs quantiques devront résoudre. Pour résoudre des problèmes qui répondent aux grands défis mondiaux - comme le changement climatique ou des maladies complexes comme le cancer - il est généralement admis que nous aurons besoin de millions de qubits travaillant en tandem. Pour faire ça, nous devrons regrouper des qubits et les intégrer, comme nous le faisons avec les puces de microprocesseur modernes. C'est l'objectif de ce nouveau design.

« Notre conception intègre des commutateurs à transistors en silicium conventionnels pour « activer » les opérations entre les qubits dans un vaste réseau bidimensionnel, en utilisant un protocole de sélection de « mots » et de « bits » basé sur une grille similaire à celui utilisé pour sélectionner des bits dans une puce de mémoire informatique conventionnelle, " ajouta-t-il. " En sélectionnant des électrodes au dessus d'un qubit, nous pouvons contrôler la rotation d'un qubit, qui stocke le code binaire quantique d'un 0 ou 1. Et en sélectionnant des électrodes entre les qubits, interactions logiques à deux qubits, ou des calculs, peut être effectué entre les qubits."

Un ordinateur quantique élargit de façon exponentielle le vocabulaire du code binaire utilisé dans les ordinateurs modernes en utilisant deux principes effrayants de la physique quantique - à savoir, « intrication » et « superposition ». Les qubits peuvent stocker un 0, un 1, ou une combinaison arbitraire de 0 et 1 en même temps. Et tout comme un ordinateur quantique peut stocker plusieurs valeurs à la fois, afin qu'il puisse les traiter simultanément, faire plusieurs opérations à la fois.

Cela permettrait à un ordinateur quantique universel d'être des millions de fois plus rapide que n'importe quel ordinateur conventionnel lors de la résolution d'une série de problèmes importants.

Mais pour résoudre des problèmes complexes, un ordinateur quantique universel utile aura besoin d'un grand nombre de qubits, peut-être des millions, car tous les types de qubits que nous connaissons sont fragiles, et même de minuscules erreurs peuvent être rapidement amplifiées en mauvaises réponses.

"Nous devons donc utiliser des codes de correction d'erreurs qui utilisent plusieurs qubits pour stocker une seule donnée, " a déclaré Dzurak. " Notre plan de puce intègre un nouveau type de code de correction d'erreurs conçu spécifiquement pour les qubits de spin, et implique un protocole sophistiqué d'opérations sur des millions de qubits. C'est la première tentative d'intégrer dans une seule puce tous les circuits de silicium conventionnels nécessaires pour contrôler et lire les millions de qubits nécessaires à l'informatique quantique. »

"Nous nous attendons à ce qu'il y ait encore des modifications nécessaires à cette conception à mesure que nous nous dirigeons vers la fabrication, mais tous les composants clés nécessaires à l'informatique quantique sont ici dans une seule puce. Et c'est ce qui sera nécessaire si nous voulons faire des ordinateurs quantiques un bourreau de travail pour des calculs bien au-delà des ordinateurs d'aujourd'hui, " a ajouté Dzurak. " Cela montre comment intégrer les millions de qubits nécessaires pour réaliser la véritable promesse de l'informatique quantique. "

La construction d'un tel ordinateur quantique universel a été qualifiée de « course à l'espace du 21e siècle ». Pour une gamme de calculs, ils seront beaucoup plus rapides que les ordinateurs existants, et pour certains problèmes difficiles, ils pourraient trouver des solutions en quelques jours, peut-être même des heures, quand les meilleurs supercalculateurs d'aujourd'hui prendraient des millions d'années.

Il existe au moins cinq grandes approches de l'informatique quantique explorées dans le monde :les qubits de spin du silicium, pièges à ions, boucles supraconductrices, les postes vacants de diamant et les qubits topologiques ; La conception de l'UNSW est basée sur des qubits de spin sur silicium. Le principal problème avec toutes ces approches est qu'il n'y a pas de voie claire pour augmenter le nombre de bits quantiques jusqu'aux millions nécessaires sans que l'ordinateur ne devienne un énorme système nécessitant un équipement de support encombrant et une infrastructure coûteuse.

C'est pourquoi la nouvelle conception de l'UNSW est si excitante :en s'appuyant sur son approche de qubit de spin au silicium - qui imite déjà une grande partie des dispositifs à semi-conducteurs en silicium qui sont au cœur de l'industrie mondiale des semi-conducteurs de 380 milliards de dollars - il montre comment harmoniser l'erreur de qubit de spin corriger le code dans les conceptions de puces existantes, permettant un véritable calcul quantique universel.

Contrairement à presque tous les autres grands groupes ailleurs, L'effort de calcul quantique du CQC2T se concentre de manière obsessionnelle sur la création de dispositifs à semi-conducteurs en silicium, à partir de laquelle sont fabriquées toutes les puces informatiques du monde. Et ils ne se contentent pas de créer des designs ornés pour montrer combien de qubits peuvent être regroupés, mais visant à créer des qubits qui pourraient un jour être facilement fabriqués - et mis à l'échelle.

"C'est un peu passé sous le tapis, mais pour l'informatique quantique à grande échelle, nous allons avoir besoin de millions de qubits, " dit Dzurak. " Tiens, nous montrons un moyen d'augmenter massivement les qubits de spin. Et c'est la clé."

La conception est un bond en avant dans les qubits de spin du silicium; c'était il y a seulement deux ans, dans un article dans Nature, que Dzurak et Veldhorst ont montré, pour la première fois, comment les calculs de logique quantique pourraient être effectués dans un vrai dispositif en silicium, avec la création d'une porte logique à deux qubits - le bloc de construction central d'un ordinateur quantique.

"C'étaient les premiers pas de bébé, les premières démonstrations de la façon de transformer ce concept radical d'informatique quantique en un dispositif pratique utilisant des composants qui sous-tendent toute l'informatique moderne, " a déclaré Mark Hoffman, Doyen de l'ingénierie de l'UNSW. "Notre équipe a maintenant un plan pour étendre cela de façon spectaculaire.

« Nous avons testé des éléments de cette conception en laboratoire, avec des résultats très positifs. Nous devons juste continuer à construire sur cela - ce qui reste un sacré défi, mais les bases sont là, et c'est très encourageant. Il faudra encore une grande ingénierie pour faire de l'informatique quantique une réalité commerciale, mais clairement le travail que nous voyons de cette équipe extraordinaire au CQC2T met l'Australie aux commandes, " il ajouta.

Les autres chercheurs du CQC2T impliqués dans la conception publiée dans l'article de Nature Communications étaient Henry Yang et Gertjan Eenink, ce dernier a depuis rejoint Veldhorst chez QuTech.

L'équipe de l'UNSW a conclu un accord de 83 millions de dollars australiens entre l'UNSW, Telstra, Commonwealth Bank et les gouvernements australien et de la Nouvelle-Galles du Sud à développer, d'ici 2022, un prototype de circuit intégré quantique en silicium de 10 qubits - la première étape de la construction du premier ordinateur quantique au monde en silicium.

En août, les partenaires ont lancé Silicon Quantum Computing Pty Ltd, La première entreprise d'informatique quantique d'Australie, faire progresser le développement et la commercialisation des technologies uniques de l'équipe. Le gouvernement de la Nouvelle-Galles du Sud a promis 8,7 millions de dollars australiens, UNSW A$25 millions, la Commonwealth Bank 14 millions de dollars australiens, Telstra 10 millions de dollars australiens et le gouvernement australien 25 millions de dollars australiens.