De unieke Australische benadering van het maken van kwantumbits van nauwkeurig gepositioneerde individuele atomen in silicium werpt grote vruchten af, met door UNSW Sydney geleide wetenschappers die voor het eerst laten zien dat ze twee van deze atoomqubits met elkaar kunnen laten "praten".

Het team - onder leiding van UNSW-professor Michelle Simmons, Directeur van het Centre of Excellence voor Quantum Computation and Communication Technology, of CQC2T - is de enige groep ter wereld die de exacte positie van hun qubits in vaste toestand kan zien.

Het team van Simmons maakt de atoomqubits door individuele fosforatomen nauwkeurig te positioneren en in te kapselen in een siliciumchip. Informatie wordt opgeslagen op de kwantumspin van een enkel fosforelektron.

De laatste vooruitgang van het team - de eerste waarneming van controleerbare interacties tussen twee van deze qubits - wordt gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie . Het volgt op twee andere recente doorbraken die gebruikmaken van deze unieke benadering voor het bouwen van een kwantumcomputer.

Door hun nanoproductieproces te optimaliseren, Het team van Simmons heeft onlangs ook kwantumschakelingen gemaakt met de laagste geregistreerde elektrische ruis van elk halfgeleiderapparaat.

En ze hebben een elektronenspin-qubit gecreëerd met de langste levensduur ooit gerapporteerd in een nano-elektrisch apparaat - 30 seconden.

"De gecombineerde resultaten van deze drie onderzoekspapers bevestigen de zeer veelbelovende vooruitzichten voor het bouwen van multi-qubit-systemen met behulp van onze atom-qubits, ' zegt Simmons.

Australiër van het jaar 2018 geïnspireerd door Richard Feynman

Simons, die in januari 2018 werd uitgeroepen tot Australiër van het jaar voor haar baanbrekende onderzoek naar kwantumcomputers, zegt dat het baanbrekende werk van haar team is geïnspireerd door wijlen natuurkundige Richard Feynman.

"Feynman zei:'Wat ik niet kan creëren, Ik snap het niet'. We voeren die strategie systematisch uit, Van de grond af, atoom voor atoom, ' zegt Simmons.

"Door onze fosforatomen in het silicium te plaatsen om een ​​qubit te maken, we hebben aangetoond dat we een scansonde kunnen gebruiken om de golffunctie van het atoom direct te meten, die ons de exacte fysieke locatie in de chip vertelt. Wij zijn de enige groep ter wereld die daadwerkelijk kan zien waar onze qubits zijn.

"Ons concurrentievoordeel is dat we onze hoogwaardige qubit kunnen plaatsen waar we willen in de chip, kijk wat we hebben gemaakt, en meet dan hoe het zich gedraagt. We kunnen nog een qubit in de buurt toevoegen en zien hoe de twee golffuncties op elkaar inwerken. En dan kunnen we beginnen met het genereren van replica's van de apparaten die we hebben gemaakt, " ze zegt.

Voor de nieuwe studie het team plaatste twee qubits - een gemaakt van twee fosforatomen en een gemaakt van een enkel fosforatoom - 16 nanometer uit elkaar in een siliciumchip.

"Met behulp van elektroden die met vergelijkbare precisietechnieken op de chip zijn gepatroneerd, we waren in staat om de interacties tussen deze twee aangrenzende qubits te controleren, dus de kwantumspins van hun elektronen werden gecorreleerd, " zegt co-auteur van de studie, Dr Matthew Broome, voorheen van UNSW en nu aan de Universiteit van Kopenhagen.

"Het was fascinerend om te zien. Als de spin van een elektron naar boven wijst, de andere punten naar beneden, en vice versa.

"Dit is een belangrijke mijlpaal voor de technologie. Dit soort spincorrelaties zijn de voorloper van de verstrengelde toestanden die nodig zijn voor een kwantumcomputer om te functioneren en complexe berekeningen uit te voeren, " hij zegt.

Studie hoofd co-auteur, Sam Gorman van UNSW, zegt:"De theorie had voorspeld dat de twee qubits 20 nanometer uit elkaar zouden moeten worden geplaatst om dit correlatie-effect te zien. Maar we ontdekten dat het op slechts 16 nanometer van elkaar voorkomt.

"In onze kwantumwereld, dit is een heel groot verschil, "zegt hij. "Het is ook briljant, als experimentator, om de theorie uit te dagen."

Leidend in de race om een ​​kwantumcomputer in silicium te bouwen

UNSW-wetenschappers en ingenieurs bij CQC2T leiden de wereld in de race om een ​​kwantumcomputer in silicium te bouwen. Ze ontwikkelen parallelle gepatenteerde benaderingen met behulp van qubits met één atoom en kwantumdots.

"Onze hoop is dat beide benaderingen goed zullen werken. Dat zou geweldig zijn voor Australië, ' zegt Simmons.

Het UNSW-team heeft ervoor gekozen om in silicium te werken omdat het een van de meest stabiele en gemakkelijk te vervaardigen omgevingen is om qubits te hosten, en zijn lange geschiedenis van gebruik in de conventionele computerindustrie betekent dat er een enorme hoeveelheid kennis over dit materiaal is.

In 2012, Het Simons-team, die scanning tunneling microscopen gebruiken om de individuele fosforatomen in silicium te positioneren en vervolgens moleculaire bundelepitaxie om ze in te kapselen, creëerde 's werelds smalste geleidende draden, slechts vier fosforatomen breed en één atoom hoog.

In een recent artikel gepubliceerd in het tijdschrift Nano Letters, ze gebruikten vergelijkbare controletechnieken op atomaire schaal om circuits van ongeveer 2-10 nanometer breed te produceren en toonden aan dat het de laagste geregistreerde elektrische ruis had van alle halfgeleidercircuits. Dit werk werd samen met Saquib Shamim en Arindam Ghosh van het Indian Institute of Science uitgevoerd.

"Het is algemeen aanvaard dat elektrische ruis van de circuits die de qubits aansturen een kritische factor zal zijn bij het beperken van hun prestaties, ' zegt Simmons.

"Onze resultaten bevestigen dat silicium een ​​optimale keuze is, omdat het gebruik ervan het probleem vermijdt waarmee de meeste andere apparaten worden geconfronteerd met een mix van verschillende materialen, inclusief diëlektrica en oppervlaktemetalen, dat kan de bron zijn van en versterken, elektrische ruis.

"Met onze precisiebenadering hebben we bereikt wat volgens ons het laagst mogelijke elektrische ruisniveau is voor een elektronisch nano-apparaat in silicium - drie ordes van grootte lager dan zelfs het gebruik van koolstofnanobuizen, " ze zegt.

In een ander recent artikel in Science Advances, Het team van Simmons toonde aan dat hun precisie-qubits in silicium zo kunnen worden ontworpen dat de elektronenspin een recordlevensduur van 30 seconden had - tot 16 keer langer dan eerder gemeld. De eerste auteur, Dokter Thomas Watson, was bij UNSW aan het promoveren en is nu aan de Technische Universiteit Delft.

"Dit is een hot topic van onderzoek, ", zegt Simmons. "De levensduur van de elektronenspin - voordat het begint te vervallen, bijvoorbeeld, van spin-up tot spin-down - is van vitaal belang. Hoe langer de levensduur, hoe langer we informatie in zijn kwantumtoestand kunnen opslaan."

In hetzelfde blad, ze toonden aan dat deze lange levensduur hen in staat stelde om de elektronenspins van twee qubits achter elkaar uit te lezen met een nauwkeurigheid van 99,8 procent voor elk, dat is het niveau dat nodig is voor praktische foutcorrectie in een kwantumprocessor.

Het eerste kwantumcomputerbedrijf van Australië

In plaats van de een na de ander berekeningen uit te voeren, zoals een conventionele computer, een kwantumcomputer zou parallel werken en tegelijkertijd naar alle mogelijke uitkomsten kunnen kijken. Het zou in staat zijn om problemen in minuten op te lossen die anders duizenden jaren zouden duren.

Vorig jaar, Australië's eerste kwantumcomputerbedrijf - ondersteund door een uniek consortium van regeringen, industrie en universiteiten - werd opgericht om het toonaangevende onderzoek van CQC2T te commercialiseren.

Opererend vanuit nieuwe laboratoria bij UNSW, Silicon Quantum Computing Pty Ltd heeft als doel om tegen 2022 een demonstratieapparaat van 10 qubit in silicium te produceren, als de voorloper van een op silicium gebaseerde kwantumcomputer.

De Australische regering heeft 26 miljoen dollar geïnvesteerd in de onderneming van 83 miljoen dollar via haar nationale innovatie- en wetenschapsagenda. met een extra $ 25 miljoen afkomstig van UNSW, $ 14 miljoen van de Commonwealth Bank of Australia, $ 10 miljoen van Telstra en $ 8,7 miljoen van de NSW-regering.

Geschat wordt dat industrieën die ongeveer 40% van de huidige economie van Australië uitmaken, aanzienlijk kunnen worden beïnvloed door kwantumcomputers. Mogelijke toepassingen zijn softwareontwerp, machinaal leren, planning en logistieke planning, financiële analyse, beursmodellering, software- en hardwareverificatie, klimaatmodellering, snel medicijnontwerp en testen, en vroege opsporing en preventie van ziekten.