At ramme quantum sweet spot:Forskere finder den bedste position for atom qubits i silicium

Forskere fra Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC ² T) arbejdet med Silicon Quantum Computing (SQC) har fundet 'sweet spot' for positionering af qubits i silicium for at skalere atombaserede kvanteprocessorer.

Oprettelse af kvantebits, eller qubits, ved præcist at placere fosforatomer i silicium - metoden som CQC var banebrydende for ² T Direktør Professor Michelle Simmons-er en verdensledende tilgang til udviklingen af ​​en kvantecomputer af silicium.

I teamets forskning, udgivet i dag i Naturkommunikation , præcisionsplacering har vist sig at være afgørende for at udvikle robuste interaktioner - eller kobling - mellem qubits.

"Vi har fundet den optimale position til at skabe reproducerbare, stærke og hurtige interaktioner mellem qubitterne, siger professor Sven Rogge, der ledede forskningen.

"Vi har brug for disse robuste interaktioner for at konstruere en multi-qubit processor og, ultimativt, en nyttig kvantecomputer. "

To-qubit porte-den centrale byggesten i en kvantecomputer-bruger interaktioner mellem par qubits til at udføre kvanteoperationer. For atom qubits i silicium, tidligere forskning har antydet, at for visse positioner i siliciumkrystal, interaktioner mellem qubits indeholder en oscillerende komponent, der kan bremse gateoperationerne og gøre dem vanskelige at kontrollere.

"I næsten to årtier har den potentielle oscillerende karakter af interaktionerne er blevet forudsagt at være en udfordring for opskalering, "Siger professor Rogge.

"Nu, gennem nye målinger af qubit -interaktionerne, vi har udviklet en dyb forståelse af arten af ​​disse svingninger og foreslår en strategi for præcisionsplacering for at gøre interaktionen mellem qubitterne robuste. Dette er et resultat, som mange mente ikke var muligt. "

At finde det 'søde sted' i krystalsymmetrier

Forskerne siger, at de nu har opdaget, at præcis hvor du placerer qubits er afgørende for at skabe stærke og konsekvente interaktioner. Denne afgørende indsigt har betydelige konsekvenser for design af store processorer.

"Silicium er en anisotrop krystal, hvilket betyder, at den retning atomer er placeret i kan i betydelig grad påvirke interaktionerne mellem dem, "siger Dr. Benoit Voisin, hovedforfatter af forskningen.

"Mens vi allerede vidste om denne anisotropi, ingen havde undersøgt detaljeret, hvordan det faktisk kunne bruges til at afbøde den oscillerende interaktionsstyrke. "

"Vi fandt ud af, at der er en særlig vinkel, eller sweet spot, inden for et bestemt plan af siliciumkrystal, hvor interaktionen mellem qubits er mest modstandsdygtig. Vigtigere, denne søde plet kan opnås ved hjælp af eksisterende scanning tunneling microscope (STM) litografi teknikker udviklet på UNSW. "

"Til sidst, både problemet og dets løsning stammer direkte fra krystalsymmetrier, så det er et godt twist. "

Ved hjælp af en STM, teamet er i stand til at kortlægge atomernes bølgefunktion i 2-D-billeder og identificere deres nøjagtige rumlige placering i siliciumkrystal-først demonstreret i 2014 med forskning offentliggjort i Naturmaterialer og avancerede i 2016 Naturnanoteknologi papir.

I den seneste forskning, holdet brugte den samme STM-teknik til at observere atomskala-detaljer om interaktionerne mellem de koblede atomqubits.

"Ved hjælp af vores kvantetilstands billeddannelsesteknik, vi kunne for første gang observere både anisotropien i bølgefunktionen og interferenseffekten direkte i flyet - dette var udgangspunktet for at forstå, hvordan dette problem udspiller sig, "siger Dr. Voisin.

"Vi forstod, at vi først skulle beregne virkningen af ​​hver af disse to ingredienser separat, før vi ser på det fulde billede for at løse problemet - sådan kunne vi finde dette søde sted, som let er kompatibel med atomplaceringspræcisionen, der tilbydes af vores STM -litografiteknik. "

Bygger et silicium -kvantecomputeratom efter atom

UNSW -forskere ved CQC ² T er førende i verden i løbet af at bygge atombaserede kvantecomputere i silicium. Forskerne ved CQC ² T, og dets beslægtede kommercialiseringsselskab SQC, er det eneste hold i verden, der har evnen til at se den nøjagtige position af deres qubits i solid state.

I 2019, Simmons-gruppen nåede en stor milepæl i deres præcisionsplaceringstilgang-hvor teamet først byggede den hurtigste to-qubit-port i silicium ved at placere to atom-qubits tæt på hinanden, og derefter kontrollerbart observere og måle deres spin-tilstande i realtid. Undersøgelsen blev offentliggjort i Natur .

Nu, med Rogge -teamets seneste fremskridt, forskerne fra CQC ² T og SQC er positioneret til at bruge disse interaktioner i større systemer til skalerbare processorer.

"At kunne observere og præcist placere atomer i vores siliciumchips giver fortsat en konkurrencemæssig fordel for at fremstille kvantecomputere i silicium, "siger prof. Simmons.

De kombinerede Simmons, Rogge og Rahman -teams arbejder sammen med SQC om at bygge den første nyttige, kommerciel kvantecomputer i silicium. Samlokaliseret med CQC ² T på UNSW Sydney campus, SQCs mål er at bygge den højeste kvalitet, mest stabile kvanteprocessor.