Fysikere sætter nye rekorder for siliciumkvanteberegning

To forskerhold, der arbejder i de samme laboratorier på UNSW Australia, har fundet særskilte løsninger på en kritisk udfordring, der har holdt tilbage realiseringen af ​​superkraftige kvantecomputere.

Holdene skabte to typer kvantebits, eller "qubits" – byggestenene til kvantecomputere – som hver behandler kvantedata med en nøjagtighed på over 99 %. De to resultater er blevet offentliggjort samtidigt i dag i tidsskriftet Natur nanoteknologi .

"For at kvanteberegning skal blive en realitet, skal vi betjene bits med meget lave fejlfrekvenser, " siger Scientia-professor Andrew Dzurak, som er direktør for Australian National Fabrication Facility ved UNSW, hvor enhederne er lavet.

"Vi har nu fundet to parallelle veje til at bygge en kvantecomputer i silicium, som hver viser denne super nøjagtighed, " tilføjer lektor Andrea Morello fra UNSW's School of Electrical Engineering and Telecommunications.

UNSW-holdene, som også er tilknyttet ARC Center of Excellence for Quantum Computation &Communication Technology, var de første i verden til at demonstrere enkeltatoms spin-qubits i silicium, rapporteret i Natur i 2012 og 2013.

Nu har holdet ledet af Dzurak opdaget en måde at skabe et "kunstigt atom" qubit med en enhed, der bemærkelsesværdigt ligner de siliciumtransistorer, der bruges i forbrugerelektronik, kendt som MOSFET'er. Post-doc forsker Menno Veldhorst, hovedforfatter på papiret, der rapporterer det kunstige atom qubit, siger, "Det er virkelig fantastisk, at vi kan lave en så præcis qubit ved at bruge stort set de samme enheder, som vi har i vores bærbare computere og telefoner".

I mellemtiden Morellos team har presset den "naturlige" fosforatom-qubit til ydeevnens yderligheder. Dr Juha Muhonen, en post-doc forsker og hovedforfatter på det naturlige atom qubit papir, bemærker:"Phosphoratomet indeholder faktisk to qubits:elektronen, og kernen. Med kernen i særdeleshed, vi har opnået en nøjagtighed tæt på 99,99 %. Det betyder kun én fejl for hver 10. 000 kvanteoperationer."

Dzurak forklarer, at "selvom der findes metoder til at rette fejl, deres effektivitet er kun garanteret, hvis fejlene opstår mindre end 1 % af tiden. Vores eksperimenter er blandt de første i fast tilstand, og den første nogensinde i silicium, at opfylde dette krav."

De højnøjagtige operationer for både naturlige og kunstige atom-qubits opnås ved at placere hver inde i et tyndt lag specielt renset silicium, indeholdende kun silicium-28 isotopen. Denne isotop er fuldstændig ikke-magnetisk og, i modsætning til dem i naturligt forekommende silicium, forstyrrer ikke kvantebitten. Det rensede silicium blev leveret gennem samarbejde med professor Kohei Itoh fra Keio University i Japan.

Det næste skridt for forskerne er at bygge par af meget nøjagtige kvantebits. Store kvantecomputere forventes at bestå af mange tusinde eller millioner af qubits og kan integrere både naturlige og kunstige atomer.

Morellos forskerhold etablerede også en verdensrekord "kohærenstid" for en enkelt kvantebit holdt i fast tilstand. "Kohærenstid er et mål for, hvor længe du kan bevare kvanteinformation, før den går tabt, " siger Morello. Jo længere sammenhængstid, jo lettere bliver det at udføre lange sekvenser af operationer, og derfor mere komplekse beregninger.

Holdet var i stand til at gemme kvanteinformation i en fosforkerne i mere end 30 sekunder. "Et halvt minut er en evighed i kvanteverdenen. At bevare en "kvantesuperposition" i så lang tid, og inde i, hvad der dybest set er en modificeret version af en normal transistor, er noget, som næsten ingen troede var muligt indtil i dag, " siger Morello.

"For vores to grupper samtidig at opnå disse dramatiske resultater med to ret forskellige systemer er meget specielt, især fordi vi er rigtig gode venner, " tilføjer Dzurak.