Verdensrekord kvanteberegningsresultat for Sydney-hold

Et verdensrekordresultat i at reducere fejl i halvleder 'spin qubits', en type byggesten til kvantecomputere, er opnået ved hjælp af det teoretiske arbejde fra kvantefysikere ved University of Sydney Nano Institute og School of Physics.

Det eksperimentelle resultat fra University of New South Wales ingeniører viste fejlrater så lave som 0,043 procent, lavere end nogen anden spin qubit. Det fælles forskningspapir af Sydney og UNSW -teams blev offentliggjort i denne uge i Naturelektronik og er tidsskriftets forside for april.

"Reduktion af fejl i kvantecomputere er nødvendig, før de kan skaleres til nyttige maskiner, "sagde professor Stephen Bartlett, en tilsvarende forfatter til papiret.

"Når de opererer i stor skala, kvantecomputere kunne levere deres store løfte om at løse problemer ud over kapaciteten hos selv de største supercomputere. Dette kan hjælpe menneskeheden med at løse problemer inden for kemi, lægemiddeldesign og industri. "

Der er mange typer kvantebits, eller qubits, lige fra dem, der bruger fangede ioner, superledende sløjfer eller fotoner. En 'spin qubit' er en kvantebit, der koder information baseret på den kvantiserede magnetiske retning af et kvanteobjekt, såsom en elektron.

Australien, og især Sydney, fremstår som en global leder inden for kvanteteknologi. Den seneste meddelelse om at finansiere etableringen af ​​et Sydney Quantum Academy, understreger den enorme mulighed i Australien for at opbygge en kvanteøkonomi baseret på verdens største koncentration af kvanteforskningsgrupper her i Sydney.

Ingen praksis uden teori

Selvom meget af det seneste fokus inden for kvanteberegning har været på fremskridt inden for hardware, ingen af ​​disse fremskridt har været mulige uden udviklingen af ​​kvanteinformationsteori.

The University of Sydney quantum theory group, ledet af professor Stephen Bartlett og professor Steven Flammia, er en af ​​verdens kraftværker inden for kvanteinformationsteori, giver mulighed for ingeniør- og eksperimentelle teams over hele kloden at gøre de omhyggelige fysiske fremskridt, der er nødvendige for at sikre, at quantum computing bliver en realitet.

Arbejdet i Sydney-kvanteteorigruppen var afgørende for verdensrekordresultatet, der blev offentliggjort i Naturelektronik .

Professor Bartlett sagde:"Fordi fejlprocenten var så lille, UNSW -teamet havde brug for nogle ret sofistikerede metoder for selv at kunne opdage fejlene.

"Med så lave fejlrater, vi havde brug for datakørsler, der gik i dage og dage bare for at indsamle statistikken for at vise lejlighedsvis fejl. "

Professor Bartlett sagde, at når fejlene var identificeret, skulle de karakteriseres, elimineret og genkarakteriseret.

"Steve Flammias gruppe er verdensledende inden for teorien om fejlkarakterisering, som blev brugt til at opnå dette resultat, " han sagde.

Flammia -gruppen demonstrerede for nylig for første gang en forbedring i kvantecomputere ved hjælp af koder, der er designet til at opdage og kassere fejl i de logiske porte, eller kontakter, ved hjælp af IBM Q -kvantecomputer.

Professor Andrew Dzurak, der leder UNSW -forskergruppen, sagde:"Det har været uvurderligt at arbejde med professorer Bartlett og Flammia, og deres team, for at hjælpe os med at forstå de typer fejl, vi ser i vores silicium-CMOS qubits hos UNSW.

"Vores hovedeksperimentalist, Henry Yang, arbejdede tæt sammen med dem for at opnå denne bemærkelsesværdige troskab på 99,957 procent, viser, at vi nu har den mest nøjagtige halvleder -qubit i verden. "

Professor Bartlett sagde, at Henry Yangs verdensrekordpræstation sandsynligvis vil stå i lang tid. Han sagde nu, at UNSW-teamet og andre vil arbejde på at opbygge mod to qubit og højere niveau-arrays i silicium-CMOS.

Fuldt fungerende kvantecomputere har brug for millioner, hvis ikke milliarder, af qubits at betjene. Design af quebits med lav fejl nu er et vigtigt skridt til at skalere op til sådanne enheder.

Professor Raymond Laflamme er formand for kvanteinformation ved University of Waterloo i Canada og var ikke involveret i undersøgelsen. Han sagde:"Efterhånden som kvanteprocessorer bliver mere almindelige, et vigtigt redskab til at vurdere dem er blevet udviklet af Bartlett -gruppen ved University of Sydney. Det giver os mulighed for at karakterisere præcisionen i kvanteporte og giver fysikere mulighed for at skelne mellem usammenhængende og sammenhængende fejl, der fører til en hidtil uset kontrol med qubitterne. "

Global indvirkning

Det fælles University of Sydney-UNSW-resultat kommer kort efter et oplæg af det samme kvanteteoriteam med eksperimentelle ved Niels Bohr Institute i København.

Det resultat, udgivet i Naturkommunikation , muliggør fjern udveksling af information mellem elektroner via en mediator, forbedring af udsigterne for en opskaleret arkitektur i spin-qubit-kvantecomputere.

Resultatet var betydeligt, fordi det giver mulighed for, at afstanden mellem kvantepunkter er stor nok til integration i mere traditionel mikroelektronik. Præstationen var en fælles indsats fra fysikere i København, Sydney og Purdue i USA.

Professor Bartlett sagde:"Hovedproblemet er, at for at få kvanteprikkerne til at interagere, kræver det, at de er latterligt tæt - nanometer fra hinanden. Men på denne afstand forstyrrer de hinanden, gør enheden for vanskelig at justere til at udføre nyttige beregninger. "

Løsningen var at lade indviklede elektroner formidle deres information via en 'pulje' af elektroner, flytte dem længere fra hinanden.

Han sagde:"Det er lidt som at have en bus - en stor formidler, der muliggør interaktion mellem fjerne spins. Hvis du kan give mulighed for flere spin -interaktioner, så kan kvantearkitektur flytte til todimensionale layout. "

Lektor Ferdinand Kuemmeth fra Niels Bohr Instituttet i København sagde:"Vi opdagede, at en stor, langstrakt kvantepunkt mellem de venstre prikker og højre prikker, medierede en sammenhængende bytte af spin -tilstande, inden for en milliarddel af et sekund, uden nogensinde at flytte elektroner ud af deres prikker.

Professor Bartlett sagde:"Hvad jeg synes er spændende ved dette resultat som teoretiker, er, at den frigør os fra den begrænsende geometri af en qubit, der kun er afhængig af dens nærmeste naboer. "

Kontor for globalt engagement

Historien om dette eksperiment går et årti tilbage til et US Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA) program ledet af professor Charlie Marcus, en medforfatter, der dengang var på Harvard, før han flyttede til København.

Professor Bartlett sagde:"Vi tog alle til København for et værksted i 2018 til dels for at arbejde på dette problem. Thomas Evans, medforfatter af papiret, opholdt sig der i to måneder støttet af Office for Global Engagement. OGE støttede også Dr. Arne Grimsmo, der arbejdede på et andet projekt. "

Han sagde, at eksperimentet og vores diskussioner var langt fremme, da vi fik OGE -finansiering. Men det var denne workshop og finansieringen til den, der gjorde det muligt for Sydney -teamet at tage til København for at planlægge den næste generation af eksperimenter baseret på dette resultat.

Professor Bartlett sagde:"Denne metode giver os mulighed for at adskille kvanteprikkerne lidt længere, hvilket gør dem lettere at indstille hver for sig og få dem til at arbejde sammen.

"Nu hvor vi har denne mægler, vi kan begynde at planlægge en todimensionel række af disse par kvantepunkter. "