To-qubit gate:den hurtigste kvanteoperation endnu

En gruppe forskere ledet af årets australier, professor Michelle Simmons, har opnået den første to-qubit gate mellem atom qubits i silicium-en vigtig milepæl i teamets søgen efter at bygge en atomskala-kvantecomputer. Det centrale stykke forskning blev i dag offentliggjort i et verdenskendt tidsskrift Natur .

En to-qubit gate er den centrale byggesten i enhver kvantecomputer-og UNSW-teamets version af den er den hurtigste, der nogensinde er blevet demonstreret i silicium, afslutte en operation på 0,8 nanosekunder, hvilket er ~ 200 gange hurtigere end andre eksisterende spin-baserede to-qubit porte.

I Simmons 'gruppetilgang, en to-qubit gate er en operation mellem to elektronspins-sammenlignelig med den rolle, som klassiske logiske porte spiller i konventionel elektronik. For første gang, holdet var i stand til at bygge en to-qubit gate ved at placere to atom qubits tættere på hinanden end nogensinde før, og derefter-i realtid-kontrollerbart observere og måle deres spin-tilstande.

Teamets unikke tilgang til kvanteberegning kræver ikke kun placeringen af ​​individuelle atom qubits i silicium, men alle de tilhørende kredsløb til at initialisere, kontrollere og aflæse qubits på nanoskalaen-et koncept, der kræver så udsøgt præcision, at det længe blev antaget at være umuligt. Men med denne store milepæl, teamet er nu positioneret til at omsætte deres teknologi til skalerbare processorer.

Professor Simmons, Direktør for Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) og grundlægger af Silicon Quantum Computing Pty Ltd., siger, at det sidste årti med tidligere resultater perfekt satte teamet op til at flytte grænserne for, hvad der menes at være "menneskeligt muligt".

"Atom qubits holder verdensrekorden for de længste sammenhængstider for en qubit i silicium med de højeste troværdigheder, "siger hun." Ved hjælp af vores unikke fremstillingsteknologier, vi har allerede demonstreret evnen til at læse og initialisere enkelt elektron -spins på atom qubits i silicium med meget høj nøjagtighed. Vi har også demonstreret, at vores atomskala kredsløb har den laveste elektriske støj fra ethvert system, der endnu er designet til at forbinde til en halvleder qubit.

"Optimering af alle aspekter af enhedsdesignet med atompræcision har nu givet os mulighed for at bygge en virkelig hurtig, meget præcis to-qubit gate, som er den grundlæggende byggesten i en skalerbar, siliciumbaseret kvantecomputer.

"Vi har virkelig vist, at det er muligt at kontrollere verden i atomskala - og at fordelene ved tilgangen er transformerende, herunder den bemærkelsesværdige hastighed, hvormed vores system fungerer. "

UNSW Science Dean, Professor Emma Johnston AO, siger, at dette centrale papir yderligere viser, hvor banebrydende professor Simmons forskning er.

"Dette var en af ​​Michelle's teams sidste milepæle for at demonstrere, at de faktisk kan lave en kvantecomputer ved hjælp af atom qubits. Deres næste store mål er at opbygge et 10-qubit kvanteintegreret kredsløb-og vi håber, at de når det inden for 3-4 år."

At komme op og lukke med qubits-konstruere med en præcision på bare tusind-milliontedele af en meter

Ved hjælp af et scannende tunnelmikroskop til præcision at placere og indkapsle fosforatomer i silicium, holdet skulle først beregne den optimale afstand mellem to qubits for at muliggøre den afgørende operation.

"Vores fremstillingsteknik giver os mulighed for at placere qubits præcis, hvor vi vil have dem. Dette giver os mulighed for at konstruere vores to-qubit gate til at være så hurtig som muligt, "siger studieforfatter medforfatter Sam Gorman fra CQC2T.

"Ikke alene har vi bragt qubits tættere sammen siden vores sidste gennembrud, men vi har lært at styre alle aspekter af enhedsdesignet med sub-nanometer præcision for at opretholde high fidelities. "

Observere og kontrollere qubit-interaktioner i realtid

Holdet var derefter i stand til at måle, hvordan qubits-staterne udviklede sig i realtid. Og, mest spændende, forskerne viste, hvordan man styrer interaktionsstyrken mellem to elektroner på nano-sekunders tidsskala.

"Det er vigtigt, vi var i stand til at bringe kvbitens elektroner tættere eller længere fra hinanden, effektivt at tænde og slukke interaktionen mellem dem, en forudsætning for en kvanteport, "siger anden hovedforfatter Yu He.

"Den tætte indeslutning af qubits elektroner, unikt for vores tilgang, og den iboende lave støj i vores system gjorde det muligt for os at demonstrere den hurtigste to qubit gate i silicium til dato. "

"Den kvanteport, vi demonstrerede, den såkaldte SWAP-gate, er også ideelt til at skifte kvanteinformation mellem qubits - og, når det kombineres med en enkelt qubit gate, giver dig mulighed for at køre enhver kvantealgoritme. "

Noget med fysisk umulighed? Ikke mere

Professor Simmons siger, at dette er kulminationen på to årtiers arbejde.

"Dette er et massivt fremskridt:at være i stand til at kontrollere naturen på sit aller mindste niveau, så vi kan skabe interaktioner mellem to atomer, men også individuelt tale med hinanden uden at forstyrre den anden, er utroligt. Mange mennesker troede, at dette ikke ville være muligt, " hun siger.

"Løftet har altid været, at hvis vi kunne kontrollere qubit -verdenen i denne skala, de ville være hurtige, og det er de bestemt! "