Исследователи из Австралийского национального производственного фонда в Университете Нового Южного Уэльса (University of New South Wales, UNSW) изобрели новую архитектуру, которая для выполнения квантовых вычислений использует стандартные полупроводники (как в обычных современных процессорах). Исследования возглавили директор UNSW Эндрю Джурак и доктор Менно Вельдхорст, их результаты опубликованы в журнале Nature Communications. Многие эксперты считают, что благодаря квантовым вычислениям человечество находится на пороге еще одного технологического скачка, который может быть столь же глубоким и преобразующим, как появление первого кремниевого чипа.

«Современные компьютерные чипы не могут использовать квантовые эффекты, необходимые для решения самых сложных глобальных проблем, — рассказывает Вельдхорст. — Чтобы предсказать изменение климата или найти лекарство от сложных болезней, таких как рак, потребуются миллионы кубитов, работающих вместе. Для этого нам нужно будет объединять кубиты и интегрировать их так, как интегрированы электрические цепочки в современных микропроцессорных чипах. Вот к чему стремится наш новый проект».

В качестве квантовых объектов (точек) проект кремниевого процессора будет использовать одиночные электроны. Для производства такого процессора подходят классические технологические процессы КМОП (CMOS) и традиционные материалы. В данном случае проект разработан для выпуска решений на обычной кремниевой пластине со слоями изоляции из диоксида кремния. Рабочий уровень, в котором хранятся кубиты-электроны, это слой, насыщенный изотопами silicon-28. При этом надо понимать, что даже такой кремниевый процессор должен работать при криогенных температурах порядка 1оK или ниже.

«Мы часто думаем, что приземление на Луну было величайшим технологическим чудом человечества, — говорит Джурак. — Но создание для устройства, которое вы сможете носить в кармане, микропроцессорного чипа, поддерживающего миллиард одновременных операций, — это не менее поразительное техническое достижение, чем полет на Луну».

Проект процессора создан модульным, при этом минимальный строительный кирпичик процессора — это блок со сторонами 4×20 кубитов. Весь процессор спроектирован как массив 24×20 кубитов и состоит из 480 кубитов. Допускается как дальнейшее горизонтальное масштабирование для увеличения числа кубитов в процессоре, так и уменьшение масштаба техпроцесса производства.

Представленный проект, как заявляют разработчики, хорошо ложится на 14-нм техпроцесс Intel, где расстояние между затворами приближается к 70 нм. Для надёжной работы спроектированного кремниевого квантового процессора необходима ячейка для электрона (кубита) со сторонами 63 нм.

Выбранная учёными 2D-архитектура расположения кубитов преследует главную цель — снизить вероятность появления ошибок в ходе квантовых вычислений. Вернее, они на практике реализовали так называемый поверхностный код (surface code), подразумевающий, что часть кубитов не участвуют в хранении данных, а используются для исправления ошибок в кубитах, отвечающих за данные. Это сравнимо с аппаратной схемой ECC. Например, информационные кубиты и условно ECC-кубиты могут располагаться на плоскости в шахматном порядке. Это позволяет загружать в квантовый процессор программный код и обеспечивать надёжность расчётов.

Помимо ученых над разработками квантовых компьютеров работают ведущие технологические компании. В октябре Intel представила экспериментальный 17-кубитный процессор, основанный на технологиях сверхпроводимости. По сравнению с традиционными полупроводниковыми микросхемами новый чип обеспечивает в 10–100 раз большую скорость ввода-вывода. Кроме того, благодаря сочетанию специальных техпроцессов, материалов и прочих решений он вмещает квантовые интегральные схемы существенно большего размера, чем элементы традиционных кремниевых процессоров.

В марте IBM запустила проект по созданию первого в мире коммерческого квантового компьютера IBM Q, доступ к которому будет возможен через IBM Cloud. Инициатива развивается на базе облачной вычислительной платформы IBM Quantum Experience. В ноябре IBM разработала прототип 50-кубитного квантового компьютера, который в будущем будет доступен в облаке.