Forskere opretter mest støjsvage halvlederkvantebits på rekord

Forskere ved UNSW Sydney har demonstreret det laveste støjniveau nogensinde for en halvlederkvantumbit, eller qubit. Undersøgelsen blev offentliggjort i Avancerede materialer .

For at kvantecomputere kan udføre nyttige beregninger, kvanteinformation skal være tæt på 100 procent nøjagtig. Opladningsstøj - forårsaget af ufuldkommenheder i det materielle miljø, der er vært for qubits - forstyrrer kvanteinformation, der er kodet på qubits, påvirker nøjagtigheden af ​​oplysningerne.

"Niveauet for ladningsstøj i halvleder-qubits har været en kritisk hindring for at opnå de nøjagtighedsniveauer, vi har brug for i stor skala fejlkorrigerede kvantecomputere, "siger hovedforfatter Ludwik Kranz, en ph.d. studerende ved UNSW's Center for Quantum Computation and Communication Technology (CQC ² T) samarbejde med centrets spin -off -virksomhed Silicon Quantum Computing (SQC).

"Vores forskning har vist, at vi kan reducere ladningsstøj til et betydeligt lavt niveau, minimere den indvirkning, det har på vores qubits, «siger Kranz.

"Ved at optimere fremstillingsprocessen for siliciumchippen, vi opnåede et støjniveau 10 gange lavere end tidligere registreret. Dette er den laveste registrerede ladestøj fra nogen halvleder -qubit. "

Oprettelse af stille qubits

Qubits fremstillet af elektroner, der er hostet på atomqubits i silicium-den fremgangsmåde, som prof. Simmons har kæmpet for siden 2000-er en lovende platform for store kvantecomputere.

Imidlertid, qubits hostet i enhver halvlederplatform såsom silicium, er følsomme over for ladningsstøj.

Teamets forskning afslørede, at tilstedeværelsen af ​​defekter enten i siliciumchippen eller ved grænsefladen til overfladen var væsentlige bidragydere til ladningsstøj.

"Dette var en overraskelse, da vi har brugt meget tid på at optimere kvaliteten af ​​vores siliciumchip, men dette viste, at selv et par urenheder i nærheden kan påvirke støjen, «siger Kranz.

Ved at reducere urenhederne i siliciumchippen og placere atomerne væk fra overfladen og grænseflader, hvor størstedelen af ​​støjen stammer, holdet var i stand til at producere det rekordstore resultat.

"Vores resultater viser fortsat, at silicium er et fantastisk materiale til at være vært for qubits. Med vores evne til at konstruere alle aspekter af qubit -miljøet, vi beviser systematisk, at atom qubits i silicium er reproducerbare, hurtig og stabil, "siger prof. Michelle Simmons, Direktør CQC ² T.

"Vores næste udfordring er at flytte til isotopisk ren krystallinsk Si-28 for at udnytte de lange sammenhængstider, der allerede er demonstreret i dette system."

Timing er alt

Ved hjælp af den nyligt fremstillede siliciumchip, holdet udførte derefter en række eksperimenter for at karakterisere ladningsstøj, med uventede resultater.

"Vi målte ladningsstøj ved hjælp af både en enkelt elektrontransistor og et udvekslingskoblet qubit-par, der samlet giver et ensartet ladningsstøjspektrum over et bredt frekvensområde, "siger CQC ² T medforfatter Dr. Sam Gorman.

Målingerne afslørede en nøglefaktor, der påvirker ladestøj - tid.

"Fra det støjspektrum, vi målte, vi ved, at jo længere beregningen - jo mere støj påvirker vores system, "siger Dr. Gorman.

"Dette har store konsekvenser for design af fremtidige enheder, med kvanteoperationer, der skal udføres i usædvanligt korte tidsrammer, så ladestøj ikke bliver værre med tiden, tilføjer fejl til beregningen. "

Arbejder systematisk mod en kommercielt tilgængelig kvantecomputer i silicium

For at udføre fejlfrie beregninger, der kræves til storskala kvanteberegning, en to-qubit gate-den centrale byggesten i enhver kvantecomputer-har brug for en troværdighed-eller nøjagtighed-på over 99%. For at nå denne troværdighedstærskel skal kvanteoperationer være stabile og hurtige.

I et nyligt papir - udgivet i Fysisk gennemgang X - Simmons -gruppen ved hjælp af deres atompræcisionsevne, demonstreret evnen til at aflæse qubits på 1 mikrosekund.

"Denne forskning kombineret med vores laveste ladningsstøjresultater viser, at det er muligt at opnå en 99,99% troværdighed i atom qubits i silicium, "siger prof. Simmons, som også er grundlæggeren af ​​SQC.

"Vores team arbejder nu på at levere alle disse nøgleresultater på en enkelt enhed - hurtigt, stabil, høj trofasthed og med lange sammenhængstider-et stort skridt tættere på en fuldskala kvanteprocessor i silicium. "

Professor Simmons arbejder med SQC for at bygge den første nyttige, kommerciel kvantecomputer i silicium. Samlokaliseret med CQC ² T på UNSW Sydney campus, SQCs mål er at demonstrere den evne, der kræves for pålideligt at producere en 10-qubit prototype kvanteintegreret processor inden 2023.

"Vores teams resultater bekræfter endvidere, at vores unikke tilgang-med præcis at placere fosforatomer i silicium-er et yderst lovende perspektiv for at opbygge de fejlrettede, stor arkitektur påkrævet til kommercialisering af siliciumkvantecomputere, "Siger professor Simmons.