At se er at tro - præcision atom qubits opnår en stor milepæl i kvanteberegning

Den unikke australske tilgang til at skabe kvantebits fra præcist placerede individuelle atomer i silicium høster store gevinster, med UNSW Sydney-ledede forskere, der for første gang viser, at de kan få to af disse atomqubits til at "tale" med hinanden.

Teamet - ledet af UNSW -professor Michelle Simmons, Direktør for Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology, eller CQC2T - er den eneste gruppe i verden, der har evnen til at se den nøjagtige position af deres qubits i fast tilstand.

Simmons 'team skaber atom qubits ved præcist at placere og indkapsle individuelle fosforatomer i en siliciumchip. Information gemmes om kvantespin af en enkelt fosforelektron.

Holdets seneste fremskridt - den første observation af kontrollerbare interaktioner mellem to af disse qubits - er offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation . Det følger to andre nyere gennembrud ved hjælp af denne unikke tilgang til opbygning af en kvantecomputer.

Ved at optimere deres nano-fremstillingsproces, Simmons 'team har også for nylig skabt kvantekredsløb med den laveste registrerede elektriske støj fra enhver halvleder.

Og de har skabt en elektron -spin -qubit med den længste levetid, der nogensinde er rapporteret i en nano -elektrisk enhed - 30 sekunder.

"De kombinerede resultater fra disse tre forskningsartikler bekræfter de ekstremt lovende muligheder for at bygge multi-qubit-systemer ved hjælp af vores atom qubits, "siger Simmons.

Årets australier 2018 inspireret af Richard Feynman

Simmons, der blev udnævnt til årets australske 2018 i januar for sin banebrydende kvantecomputeringsforskning, siger, at hendes teams banebrydende arbejde er inspireret af den afdøde fysiker Richard Feynman.

"Feynman sagde:'Hvad jeg ikke kan skabe, Jeg forstår ikke'. Vi vedtager denne strategi systematisk, fra bunden, atom for atom, "siger Simmons.

"Ved at placere vores fosforatomer i silicium for at lave en qubit, vi har demonstreret, at vi kan bruge en scanningsprobe til direkte at måle atomets bølgefunktion, som fortæller os dens nøjagtige fysiske placering i chippen. Vi er den eneste gruppe i verden, der rent faktisk kan se, hvor vores qubits er.

"Vores konkurrencemæssige fordel er, at vi kan sætte vores qubit af høj kvalitet, hvor vi vil have det i chippen, se hvad vi har lavet, og derefter måle, hvordan den opfører sig. Vi kan tilføje endnu en qubit i nærheden og se, hvordan de to bølgefunktioner interagerer. Og så kan vi begynde at generere kopier af de enheder, vi har oprettet, " hun siger.

Til det nye studie, holdet placerede to qubits - en lavet af to fosforatomer og en lavet af et enkelt fosforatom - 16 nanometer fra hinanden i en siliciumchip.

"Ved hjælp af elektroder, der blev mønstret på chippen med lignende præcisionsteknikker, vi var i stand til at kontrollere interaktionerne mellem disse to nabo qubits, så deres elektroners kvantespin blev korreleret, "siger medforfatter af undersøgelsen, Dr. Matthew Broome, tidligere fra UNSW og nu på Københavns Universitet.

"Det var fascinerende at se. Når spinet på en elektron peger opad, de andre peger ned, og omvendt.

"Dette er en vigtig milepæl for teknologien. Denne type spin -korrelationer er forløberen til de sammenfiltrede tilstande, der er nødvendige for, at en kvantecomputer fungerer og udfører komplekse beregninger, " han siger.

Studieled medforfatter, UNSW's Sam Gorman, siger:"Teori havde forudsagt, at de to qubits skulle placeres 20 nanometer fra hinanden for at se denne korrelationseffekt. Men vi fandt ud af, at den kun forekommer med 16 nanometer fra hinanden.

"I vores kvanteverden, det er en meget stor forskel, "siger han." Det er også genialt, som eksperimentel, at udfordre teorien. "

Leder løbet om at bygge en kvantecomputer i silicium

UNSW -forskere og ingeniører ved CQC2T fører verden i kapløbet om at bygge en kvantecomputer i silicium. De udvikler parallelle patenterede tilgange ved hjælp af enkeltatom og kvantepunkts qubits.

"Vores håb er, at begge tilgange vil fungere godt. Det ville være fantastisk for Australien, "siger Simmons.

UNSW -teamet har valgt at arbejde i silicium, fordi det er blandt de mest stabile og let fremstillede miljøer, hvor der kan hostes qubits, og dets lange brugshistorie i den konventionelle computerindustri betyder, at der er en omfattende viden om dette materiale.

I 2012, Simmons 'team, der bruger scanningstunnelmikroskoper til at placere de enkelte fosforatomer i silicium og derefter molekylær stråleepitaksi til at indkapsle dem, skabt verdens smalleste ledende ledninger, kun fire fosforatomer på tværs og et atom højt.

I et nyligt papir, der blev offentliggjort i tidsskriftet Nano Letters, de brugte lignende atomskala kontrolteknikker til at producere kredsløb omkring 2-10 nanometer brede og viste, at det havde den laveste registrerede elektriske støj fra ethvert halvlederkredsløb. Dette arbejde blev udført i fællesskab med Saquib Shamim og Arindam Ghosh fra Indian Institute of Science.

"Det er almindeligt accepteret, at elektrisk støj fra kredsløbet, der styrer qubits, vil være en kritisk faktor for at begrænse deres ydeevne, "siger Simmons.

"Vores resultater bekræfter, at silicium er et optimalt valg, fordi dets anvendelse undgår det problem, de fleste andre enheder står over for at have en blanding af forskellige materialer, herunder dielektrikum og overflademetaller det kan være kilden til, og forstærke, elektrisk støj.

"Med vores præcisionsmetode har vi opnået det, vi mener er det laveste elektriske støjniveau, der er muligt for en elektronisk nano -enhed i silicium - tre størrelsesordener lavere end selv at bruge carbon nanorør, " hun siger.

I en anden nyere artikel i Science Advances, Simmons 'team viste, at deres præcision qubits i silicium kunne konstrueres, så elektron -spin havde en rekordlevetid på 30 sekunder - op til 16 gange længere end tidligere rapporteret. Den første forfatter, Thomas Watson, var på UNSW ved at tage sin ph.d. og er nu på Delft University of Technology.

"Dette er et varmt forskningsemne, "siger Simmons." Elektronens spin -levetid - før det begynder at henfalde, for eksempel, fra spin op til spin down - er afgørende. Jo længere levetid, jo længere tid vi kan gemme information i sin kvantetilstand. "

I samme papir, de viste, at disse lange levetider gav dem mulighed for at aflæse elektron -spins på to qubits i rækkefølge med en nøjagtighed på 99,8 procent for hver, hvilket er det niveau, der kræves til praktisk fejlretning i en kvanteprocessor.

Australiens første kvantecomputeringsvirksomhed

I stedet for at udføre beregninger efter hinanden, som en almindelig computer, en kvantecomputer ville fungere parallelt og være i stand til at se på alle de mulige resultater på samme tid. Det ville være i stand til at løse problemer på minutter, der ellers ville tage tusinder af år.

Sidste år, Australiens første kvantecomputeringsvirksomhed - bakket op af et unikt regeringskonsortium, industri og universiteter - blev etableret for at kommercialisere CQC2Ts verdensledende forskning.

Drift af nye laboratorier ved UNSW, Silicon Quantum Computing Pty Ltd har som mål at producere en 10-qubit demonstrationsenhed i silicium inden 2022, som forløberen til en siliciumbaseret kvantecomputer.

Den australske regering har investeret 26 millioner dollars i 83 millioner dollar -satsningen gennem sin nationale innovations- og videnskabsagenda, med yderligere 25 millioner dollars fra UNSW, $ 14 millioner fra Commonwealth Bank of Australia, $ 10 millioner fra Telstra og $ 8,7 millioner fra NSW -regeringen.

Det anslås, at industrier, der udgør cirka 40% af Australiens nuværende økonomi, kan blive betydeligt påvirket af kvanteberegning. Mulige applikationer omfatter softwaredesign, maskinelæring, planlægning og logistisk planlægning, finansiel analyse, aktiemarkedsmodellering, software og hardware verifikation, klimamodellering, hurtig design og test af lægemidler og tidlig opdagelse og forebyggelse af sygdomme.