Een wereldrecordresultaat in het verminderen van fouten in 'spin-qubits' van halfgeleiders, een soort bouwsteen voor kwantumcomputers, is bereikt met behulp van het theoretische werk van kwantumfysici aan het Nano Institute en School of Physics van de Universiteit van Sydney.

Het experimentele resultaat van ingenieurs van de Universiteit van New South Wales toonde foutenpercentages van slechts 0,043 procent, lager dan elke andere spin-qubit. Het gezamenlijke onderzoeksrapport van de teams van Sydney en UNSW werd deze week gepubliceerd in Natuur Elektronica en is het voorblad van het tijdschrift voor april.

"Het verminderen van fouten in kwantumcomputers is nodig voordat ze kunnen worden opgeschaald tot bruikbare machines, " zei professor Stephen Bartlett, een corresponderende auteur van het artikel.

"Als ze eenmaal op schaal opereren, kwantumcomputers zouden hun grote belofte kunnen waarmaken om problemen op te lossen die de capaciteit van zelfs de grootste supercomputers te boven gaan. Dit zou de mensheid kunnen helpen bij het oplossen van problemen in de chemie, medicijnontwerp en -industrie."

Er zijn veel soorten kwantumbits, of qubits, variërend van degenen die ingesloten ionen gebruiken, supergeleidende lussen of fotonen. Een 'spin qubit' is een kwantumbit die informatie codeert op basis van de gekwantiseerde magnetische richting van een kwantumobject, zoals een elektron.

Australië, en Sydney in het bijzonder, ontpopt zich tot een wereldleider in kwantumtechnologie. De recente aankondiging om de oprichting van een Sydney Quantum Academy te financieren, onderstreept de enorme kans in Australië om een ​​kwantumeconomie op te bouwen op basis van 's werelds grootste concentratie van kwantumonderzoeksgroepen hier in Sydney.

Geen praktijk zonder theorie

Hoewel een groot deel van de recente focus in kwantumcomputing lag op vooruitgang in hardware, geen van deze vorderingen was mogelijk geweest zonder de ontwikkeling van de kwantuminformatietheorie.

De kwantumtheoriegroep van de Universiteit van Sydney, onder leiding van professor Stephen Bartlett en professor Steven Flammia, is een van de wereldmachten van de kwantuminformatietheorie, waardoor technische en experimentele teams over de hele wereld de nauwgezette fysieke vooruitgang kunnen boeken die nodig is om ervoor te zorgen dat quantum computing een realiteit wordt.

Het werk van de Sydney Quantum Theory Group was essentieel voor het wereldrecordresultaat dat werd gepubliceerd in Natuur Elektronica .

Professor Bartlett zei:"Omdat het foutenpercentage zo klein was, het UNSW-team had behoorlijk geavanceerde methoden nodig om zelfs de fouten te kunnen detecteren.

"Met zulke lage foutenpercentages, we hadden dataruns nodig die dagen en dagen duurden om de statistieken te verzamelen om de occasionele fout aan te tonen."

Professor Bartlett zei dat zodra de fouten waren geïdentificeerd, ze moesten worden gekarakteriseerd. geëlimineerd en opnieuw gekarakteriseerd.

"De groep van Steve Flammia is wereldleider in de theorie van foutkarakterisering, die werd gebruikt om dit resultaat te bereiken, " hij zei.

De Flammia-groep heeft onlangs voor het eerst een verbetering aangetoond in kwantumcomputers met behulp van codes die zijn ontworpen om fouten in de logische poorten te detecteren en te verwijderen, of schakelaars, met behulp van de IBM Q-kwantumcomputer.

Professor Andrew Dzurak, die het UNSW-onderzoeksteam leidt, zei:"Het is van onschatbare waarde geweest om samen te werken met professoren Bartlett en Flammia, en hun team, om ons te helpen de soorten fouten te begrijpen die we zien in onze silicium-CMOS-qubits bij UNSW.

"Onze leidende experimentator, Hendrik Yang, nauw met hen samengewerkt om deze opmerkelijke betrouwbaarheid van 99,957 procent te bereiken, waaruit blijkt dat we nu de meest nauwkeurige halfgeleider-qubit ter wereld hebben."

Professor Bartlett zei dat Henry Yangs wereldrecordprestatie waarschijnlijk nog lang stand zal houden. Hij zei dat het UNSW-team en anderen nu zullen werken aan de opbouw naar twee qubit- en hogere arrays in silicium-CMOS.

Volledig functionerende kwantumcomputers hebben miljoenen nodig, zo niet miljarden, aantal qubits te bedienen. Het ontwerpen van foutloze qubits is nu een essentiële stap om op te schalen naar dergelijke apparaten.

Professor Raymond Laflamme is voorzitter van Quantum Information aan de Universiteit van Waterloo in Canada en was niet betrokken bij het onderzoek. Hij zei:"Naarmate kwantumprocessors steeds gebruikelijker worden, een belangrijk instrument om ze te beoordelen is ontwikkeld door de Bartlett-groep van de Universiteit van Sydney. Het stelt ons in staat om de precisie van kwantumpoorten te karakteriseren en geeft natuurkundigen de mogelijkheid om onderscheid te maken tussen onsamenhangende en coherente fouten, wat leidt tot ongekende controle over de qubits."

Wereldwijde impact

Het gezamenlijke resultaat van de University of Sydney-UNSW komt kort na een paper van hetzelfde kwantumtheorieteam met experimentatoren van het Niels Bohr Institute in Kopenhagen.

dat resultaat, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , zorgt voor de uitwisseling van informatie tussen elektronen op afstand via een bemiddelaar, het verbeteren van de vooruitzichten voor een opgeschaalde architectuur in spin-qubit-quantumcomputers.

Het resultaat was significant omdat het de afstand tussen kwantumstippen groot genoeg maakt voor integratie in meer traditionele micro-elektronica. De prestatie was een gezamenlijke inspanning van natuurkundigen in Kopenhagen, Sydney en Purdue in de VS.

Professor Bartlett zei:"Het grootste probleem is dat om de kwantumstippen te laten interageren, ze belachelijk dicht bij elkaar moeten zijn - nanometers uit elkaar. Maar op deze afstand interfereren ze met elkaar, waardoor het apparaat te moeilijk af te stemmen is om bruikbare berekeningen uit te voeren."

De oplossing was om verstrengelde elektronen hun informatie te laten mediëren via een 'pool' van elektronen, ze verder uit elkaar te schuiven.

Hij zei:"Het is net alsof je een bus hebt - een grote bemiddelaar die de interactie van verre spins mogelijk maakt. Als je meer spin-interacties kunt toestaan, dan kan kwantumarchitectuur worden verplaatst naar tweedimensionale lay-outs."

Universitair hoofddocent Ferdinand Kuemmeth van het Niels Bohr Instituut in Kopenhagen zei:"We ontdekten dat een grote, langwerpige kwantumstip tussen de linker stippen en rechter stippen, bemiddelde een coherente ruil van spintoestanden, binnen een miljardste van een seconde, zonder ooit elektronen uit hun punten te halen.

Professor Bartlett zei:"Wat ik als theoreticus opwindend vind aan dit resultaat, is dat het ons bevrijdt van de beperkende geometrie van een qubit die alleen vertrouwt op zijn naaste buren."

Office of Global Engagement

De geschiedenis van dit experiment gaat tien jaar terug tot een US Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA)-programma onder leiding van professor Charlie Marcus, een co-auteur die toen op Harvard zat voordat hij naar Kopenhagen verhuisde.

Professor Bartlett zei:"We gingen allemaal naar Kopenhagen voor een workshop in 2018, deels om aan dit probleem te werken. Thomas Evans, een co-auteur van het artikel, verbleef daar twee maanden ondersteund door het Office for Global Engagement. OGE steunde ook Dr. Arne Grimsmo, die aan een ander project werkte."

Hij zei dat het experiment en onze discussies ver gevorderd waren tegen de tijd dat we de OGE-financiering kregen. Maar het was deze workshop en de financiering ervoor dat het Sydney-team naar Kopenhagen kon gaan om de volgende generatie experimenten te plannen op basis van dit resultaat.

Professor Bartlett zei:"Deze methode stelt ons in staat om de kwantumstippen een beetje verder te scheiden, waardoor ze gemakkelijker afzonderlijk kunnen worden afgesteld en ze kunnen samenwerken.

"Nu we deze bemiddelaar hebben, we kunnen beginnen met het plannen van een tweedimensionale reeks van deze paren kwantumstippen."