Quantum verdens første-forskere afslører nøjagtigheden af ​​to-qubit-beregninger i silicium

For første gang nogensinde, forskere har målt troværdigheden - det vil sige nøjagtigheden-for to-qubit logiske operationer i silicium, med meget lovende resultater, der gør det muligt at skalere op til en kvanteprocessor i fuld skala.

Forskningen, udført af professor Andrew Dzuraks team i UNSW Engineering, blev offentliggjort i dag i det verdenskendte tidsskrift Natur .

Eksperimenterne blev udført af Wister Huang, et sidste års ph.d. studerende i elektroteknik, og Dr. Henry Yang, seniorforsker ved UNSW.

"Alle kvanteberegninger kan bestå af en-qubit-operationer og to-qubit-operationer - de er de centrale byggesten i kvanteberegning, "siger professor Dzurak.

"Når du har fået dem, du kan udføre enhver beregning, du ønsker - men nøjagtigheden af ​​begge operationer skal være meget høj. "

I 2015 var Dzuraks team det første til at bygge en kvantelogisk port i silicium, muliggøre beregninger mellem to qubits information - og derved rydde en afgørende hindring for at gøre siliciumkvantecomputere til virkelighed.

En række grupper rundt om i verden har siden demonstreret to-qubit-porte i silicium - men indtil dette skelsættende papir i dag, den sande nøjagtighed af sådan en to-qubit-gate var ukendt.

Nøjagtighed er afgørende for kvantesucces

"Troskab er en kritisk parameter, der bestemmer, hvor levedygtig en qubit -teknologi er - du kan kun udnytte den enorme kraft i kvanteberegning, hvis qubit -operationerne er næsten perfekte, med kun små fejl tilladt, "Dr. Yang siger.

I dette studie, teamet implementerede og udførte Clifford-baseret fidelity-benchmarking-en teknik, der kan vurdere qubit-nøjagtighed på tværs af alle teknologiplatforme-hvilket viser en gennemsnitlig to-qubit gate-loyalitet på 98%.

"Vi opnåede en så høj loyalitet ved at karakterisere og afbøde primære fejlkilder, forbedrer dermed gate-troværdigheder til det punkt, hvor randomiserede benchmarking-sekvenser af betydelig længde-mere end 50 gate-operationer-kunne udføres på vores to-qubit-enhed, "siger hr. Huang, hovedforfatteren på papiret.

Kvantecomputere vil have en lang række vigtige applikationer i fremtiden takket være deres evne til at udføre langt mere komplekse beregninger ved meget større hastigheder, herunder at løse problemer, der simpelthen ligger uden for nutidens computere.

"Men for de fleste af de vigtige applikationer, millioner af qubits vil være nødvendige, og du bliver nødt til at rette kvantefejl, selv når de er små, "Professor Dzurak siger.

"For at fejlretning skal være mulig, qubitsne selv skal være meget præcise i første omgang - så det er afgørende at vurdere deres troskab. "

"Jo mere præcise dine qubits, jo færre du har brug for - og derfor jo før vi kan øge teknik og fremstilling for at realisere en kvantecomputer i fuld skala. "

Silicium bekræftet som vejen at gå

Forskerne siger, at undersøgelsen er et yderligere bevis på, at silicium som en teknologiplatform er ideel til at skalere op til det store antal qubits, der er nødvendige for universel kvanteberegning. I betragtning af at silicium har været kernen i den globale computerindustri i næsten 60 år, dens egenskaber er allerede godt forstået, og eksisterende siliciumchip -produktionsfaciliteter kan let tilpasse sig teknologien.

"Hvis vores loyalitetsværdi havde været for lav, det ville have betydet alvorlige problemer for fremtiden for siliciumkvanteberegning. Det faktum, at det er tæt på 99%, sætter det i den boldbane, vi har brug for, og der er gode muligheder for yderligere forbedringer. Vores resultater viser straks, som vi forudsagde, at silicium er en levedygtig platform til kvantecomputering i fuld skala, "Professor Dzurak siger.

"Vi tror, ​​at vi vil opnå betydeligt højere troværdigheder i den nærmeste fremtid, åbner stien til fuld skala, fejltolerant kvanteberegning. Vi er nu på grænsen til en to-qubit-nøjagtighed, der er høj nok til kvantefejlkorrektion."

I et andet papir - for nylig udgivet i Naturelektronik og fremhævet på forsiden - hvor Dr. Yang er hovedforfatter, det samme hold opnåede også rekorden for verdens mest præcise 1-qubit gate i en silicium kvantepunkt, med en bemærkelsesværdig troskab på 99,96%.

"Udover de naturlige fordele ved silicium qubits, en af ​​hovedårsagerne til, at vi har kunnet opnå så imponerende resultater, er på grund af det fantastiske team, vi har her på UNSW. Min elev Wister og Dr. Yang er begge utroligt dygtige. De opfattede personligt de komplekse protokoller, der kræves til dette benchmarking -eksperiment, "siger professor Dzurak.

Andre forfattere om dagens Natur papir er UNSW -forskere Tuomo Tanttu, Ross Leon, Fay Hudson, Andrea Morello og Arne Laucht, samt tidligere Dzurak-teammedlemmer Kok Wai Chan, Bas Hensen, Michael Fogarty og Jason Hwang, mens professor Kohei Itoh fra Japans Keio -universitet leverede isotopisk berigede siliciumskiver til projektet.

UNSW Dean of Engineering, Professor Mark Hoffman, siger gennembruddet er endnu et bevis på, at dette verdensledende team er i gang med at tage kvanteberegning over tærsklen fra det teoretiske til det virkelige.

"Quantum computing er dette århundredes rumkapløb - og Sydney fører an, "Siger professor Hoffman.

"Denne milepæl er endnu et skridt i retning af at realisere en storskala-kvantecomputer-og det forstærker det faktum, at silicium er en ekstremt attraktiv tilgang, som vi tror vil bringe UNSW der først."

Spin-qubits baseret på silicium CMOS-teknologi - den specifikke metode udviklet af professor Dzuraks gruppe - lover stort for kvanteberegning på grund af deres lange sammenhængstider og potentialet til at udnytte eksisterende integreret kredsløbsteknologi til at fremstille det store antal qubits, der er nødvendige til praktiske anvendelser.

Professor Dzurak leder et projekt for at fremme silicium CMOS qubit -teknologi med Silicon Quantum Computing, Australiens første kvantecomputeringsvirksomhed.

"Vores seneste resultat bringer os tættere på at kommercialisere denne teknologi-min gruppe handler om at bygge en kvantechip, der kan bruges til virkelige applikationer, "Professor Dzurak siger.

En kvanteprocessor i fuld skala ville have store applikationer inden for finansiering, sikkerheds- og sundhedssektoren – det ville hjælpe med at identificere og udvikle nye lægemidler ved i høj grad at fremskynde det computerstøttede design af farmaceutiske forbindelser, det kunne bidrage til at udvikle nye, lettere og stærkere materialer, der spænder over forbrugerelektronik til fly, og hurtigere informationssøgning gennem store databaser.