Voor de eerste keer ooit, onderzoekers hebben de betrouwbaarheid gemeten - dat wil zeggen, de nauwkeurigheid van logische bewerkingen van twee qubits in silicium, met veelbelovende resultaten die opschalen naar een volledige kwantumprocessor mogelijk maken.

Het onderzoek, uitgevoerd door het team van professor Andrew Dzurak in UNSW Engineering, werd vandaag gepubliceerd in het wereldberoemde tijdschrift Natuur .

De experimenten werden uitgevoerd door Wister Huang, een laatstejaars Ph.D. student Elektrotechniek, en Dr. Henry Yang, een senior research fellow bij UNSW.

"Alle kwantumberekeningen kunnen bestaan ​​uit bewerkingen van één qubit en bewerkingen van twee qubits - het zijn de centrale bouwstenen van kwantumcomputing, " zegt professor Dzurak.

"Als je die eenmaal hebt, je kunt elke berekening uitvoeren die je wilt, maar de nauwkeurigheid van beide bewerkingen moet erg hoog zijn."

In 2015 was het team van Dzurak de eerste die een kwantumlogica-poort in silicium bouwde, berekeningen tussen twee qubits aan informatie mogelijk maken - en daarmee een cruciale hindernis wegnemen om silicium-quantumcomputers te realiseren.

Een aantal groepen over de hele wereld hebben sindsdien twee-qubit-poorten in silicium gedemonstreerd, maar tot dit baanbrekende document vandaag, de ware nauwkeurigheid van een dergelijke poort met twee qubits was onbekend.

Nauwkeurigheid cruciaal voor kwantumsucces

"Fidelity is een kritische parameter die bepaalt hoe levensvatbaar een qubit-technologie is - je kunt alleen profiteren van de enorme kracht van quantum computing als de qubit-bewerkingen bijna perfect zijn, met alleen kleine fouten toegestaan, " zegt Dr. Yang.

In dit onderzoek, het team implementeerde en voerde Clifford-gebaseerde getrouwheidsbenchmarking uit - een techniek die de qubit-nauwkeurigheid op alle technologieplatforms kan beoordelen - wat een gemiddelde gate-getrouwheid van twee qubits van 98% aantoont.

"We hebben zo'n hoge betrouwbaarheid bereikt door primaire foutbronnen te karakteriseren en te verminderen, waardoor de gate-getrouwheid wordt verbeterd tot het punt waarop gerandomiseerde benchmarking-sequenties van aanzienlijke lengte - meer dan 50 gate-bewerkingen - op ons twee-qubit-apparaat konden worden uitgevoerd, " zegt meneer Huang, de hoofdauteur van het papier.

Quantumcomputers zullen in de toekomst een breed scala aan belangrijke toepassingen hebben dankzij hun vermogen om veel complexere berekeningen uit te voeren met veel hogere snelheden, inclusief het oplossen van problemen die het vermogen van de huidige computers te boven gaan.

"Maar voor de meeste van die belangrijke toepassingen, miljoenen qubits nodig zijn, en je zult kwantumfouten moeten corrigeren, zelfs als ze klein zijn, ' zegt professor Dzurak.

"Om foutcorrectie mogelijk te maken, de qubits zelf moeten in de eerste plaats zeer nauwkeurig zijn, dus het is cruciaal om hun betrouwbaarheid te beoordelen."

"Hoe nauwkeuriger je qubits, hoe minder je nodig hebt - en daarom, hoe sneller we de engineering en productie kunnen opvoeren om een ​​kwantumcomputer op ware grootte te realiseren."

Silicium bevestigd als de juiste keuze

De onderzoekers zeggen dat de studie een verder bewijs is dat silicium als technologieplatform ideaal is om op te schalen naar de grote aantallen qubits die nodig zijn voor universele kwantumcomputing. Aangezien silicium al bijna 60 jaar de kern vormt van de wereldwijde computerindustrie, de eigenschappen ervan zijn al goed begrepen en de bestaande productiefaciliteiten voor siliciumchips kunnen zich gemakkelijk aanpassen aan de technologie.

"Als onze getrouwheidswaarde te laag was geweest, het zou serieuze problemen hebben betekend voor de toekomst van silicium quantum computing. Het feit dat het bijna 99% is, plaatst het in de marge die we nodig hebben, en er zijn uitstekende vooruitzichten voor verdere verbetering. Onze resultaten tonen onmiddellijk, zoals we hadden voorspeld, dat silicium een ​​levensvatbaar platform is voor grootschalige kwantumcomputers, ' zegt professor Dzurak.

"We denken dat we in de nabije toekomst aanzienlijk hogere getrouwheden zullen bereiken, het pad openen naar volledige schaal, fouttolerante kwantumberekening. We staan ​​nu aan de vooravond van een nauwkeurigheid van twee qubits die hoog genoeg is voor kwantumfoutcorrectie."

In een ander artikel - onlangs gepubliceerd in Natuur Elektronica en staat op de omslag, waarop Dr. Yang hoofdauteur is, hetzelfde team behaalde ook het record voor 's werelds meest nauwkeurige 1-qubit poort in een silicium kwantumpunt, met een opmerkelijke getrouwheid van 99,96%.

"Naast de natuurlijke voordelen van siliciumqubits, een belangrijke reden waarom we zulke indrukwekkende resultaten hebben kunnen behalen, is het fantastische team dat we hier bij UNSW hebben. Mijn student Wister en Dr. Yang zijn allebei ongelooflijk getalenteerd. Ze bedachten persoonlijk de complexe protocollen die nodig zijn voor dit benchmarking-experiment, " zegt professor Dzurak.

Andere auteurs over vandaag Natuur paper zijn UNSW-onderzoekers Tuomo Tanttu, Ross Leon, Fay Hudson, Andrea Morello en Arne Laucht, evenals voormalige Dzurak-teamleden Kok Wai Chan, Bas Hensen, Michael Fogarty en Jason Hwang, terwijl professor Kohei Itoh van de Japanse Keio University isotopisch verrijkte siliciumwafels voor het project leverde.

UNSW-decaan Engineering, Professor Mark Hoffman, zegt dat de doorbraak het zoveelste bewijs is dat dit toonaangevende team bezig is om quantum computing over de drempel van theoretisch naar reëel te brengen.

"Quantum computing is de ruimtewedloop van deze eeuw - en Sydney leidt de aanval, ’ zegt professor Hofman.

"Deze mijlpaal is een nieuwe stap in de richting van het realiseren van een grootschalige kwantumcomputer - en het versterkt het feit dat silicium een ​​buitengewoon aantrekkelijke benadering is waarvan we denken dat het UNSW daar als eerste zal krijgen."

Spin-qubits op basis van silicium CMOS-technologie - de specifieke methode die is ontwikkeld door de groep van professor Dzurak - zijn veelbelovend voor kwantumcomputers vanwege hun lange coherentietijden en het potentieel om bestaande technologie voor geïntegreerde schakelingen te benutten om de grote aantallen qubits te produceren die nodig zijn voor praktische toepassingen.

Professor Dzurak leidt een project om silicium CMOS qubit-technologie te bevorderen met Silicon Quantum Computing, Australië's eerste kwantumcomputerbedrijf.

"Ons laatste resultaat brengt ons dichter bij het commercialiseren van deze technologie - mijn groep heeft alles te maken met het bouwen van een kwantumchip die kan worden gebruikt voor toepassingen in de echte wereld, ' zegt professor Dzurak.

Een full-scale kwantumprocessor zou grote toepassingen hebben in de financiële, veiligheids- en gezondheidszorgsectoren - het zou helpen bij het identificeren en ontwikkelen van nieuwe medicijnen door het computerondersteunde ontwerp van farmaceutische verbindingen aanzienlijk te versnellen, het zou kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe, lichtere en sterkere materialen van consumentenelektronica tot vliegtuigen, en sneller informatie zoeken door grote databases.