Een groep wetenschappers onder leiding van de Australische professor Michelle Simmons van het jaar 2018 heeft de eerste poort van twee qubits tussen atoomqubits in silicium bereikt - een belangrijke mijlpaal in de zoektocht van het team om een ​​kwantumcomputer op atoomschaal te bouwen. Het cruciale stuk onderzoek werd vandaag gepubliceerd in het wereldberoemde tijdschrift Natuur .

Een poort van twee qubits is de centrale bouwsteen van elke kwantumcomputer - en de versie van het UNSW-team is de snelste die ooit in silicium is aangetoond. een operatie voltooien in 0,8 nanoseconden, wat ~200 keer sneller is dan andere bestaande op spin gebaseerde poorten met twee qubits.

In de groepsaanpak van Simmons, een poort met twee qubits is een bewerking tussen twee elektronenspins, vergelijkbaar met de rol die klassieke logische poorten spelen in conventionele elektronica. Voor de eerste keer, het team was in staat om een ​​poort van twee qubits te bouwen door twee qubits van atomen dichter bij elkaar te plaatsen dan ooit tevoren, en vervolgens - in realtime - hun spintoestanden controleerbaar te observeren en te meten.

De unieke benadering van kwantumcomputing van het team vereist niet alleen de plaatsing van individuele atoomqubits in silicium, maar alle bijbehorende circuits om te initialiseren, controle en uitlezing van de qubits op nanoschaal - een concept dat zo'n voortreffelijke precisie vereist dat lang werd gedacht dat het onmogelijk was. Maar met deze belangrijke mijlpaal het team is nu gepositioneerd om hun technologie te vertalen naar schaalbare processors.

Professor Simons, Directeur van het Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) en oprichter van Silicon Quantum Computing Pty Ltd., zegt dat de afgelopen tien jaar met eerdere resultaten het team perfect heeft ingesteld om de grenzen te verleggen van wat als "menselijk mogelijk" wordt beschouwd.

"Atoomqubits hebben het wereldrecord voor de langste coherentietijden van een qubit in silicium met de hoogste getrouwheid, "zegt ze. "Door gebruik te maken van onze unieke fabricagetechnologieën, we hebben al het vermogen aangetoond om spins van enkele elektronen op atoomqubits in silicium met zeer hoge nauwkeurigheid te lezen en te initialiseren. We hebben ook aangetoond dat onze schakelingen op atomaire schaal de laagste elektrische ruis hebben van alle systemen die tot nu toe zijn ontworpen om verbinding te maken met een halfgeleiderqubit.

"Door elk aspect van het ontwerp van het apparaat met atomaire precisie te optimaliseren, hebben we nu een heel snel, zeer nauwkeurige poort met twee qubits, dat de fundamentele bouwsteen is van een schaalbare, op silicium gebaseerde kwantumcomputer.

"We hebben echt laten zien dat het mogelijk is om de wereld op atomaire schaal te beheersen - en dat de voordelen van de aanpak transformerend zijn, inclusief de opmerkelijke snelheid waarmee ons systeem werkt."

UNSW Wetenschapsdecaan, Professor Emma Johnston AO, zegt dat deze key paper verder laat zien hoe baanbrekend het onderzoek van professor Simmons is.

"Dit was een van de laatste mijlpalen van Michelle's team om aan te tonen dat ze daadwerkelijk een kwantumcomputer kunnen maken met behulp van atoomqubits. Hun volgende grote doel is het bouwen van een 10-qubit geïntegreerde kwantumschakeling - en we hopen dat ze dat binnen 3-4 jaar bereiken."

Aan de slag met qubits - engineering met een precisie van slechts duizend-miljoensten van een meter

Met behulp van een scanning tunneling microscoop om fosforatomen nauwkeurig te plaatsen en in te kapselen in silicium, het team moest eerst de optimale afstand tussen twee qubits bepalen om de cruciale operatie mogelijk te maken.

"Onze fabricagetechniek stelt ons in staat om de qubits precies daar te plaatsen waar we ze willen hebben. Hierdoor kunnen we onze twee-qubit-poort zo snel mogelijk ontwerpen, ", zegt co-auteur van de studie Sam Gorman van CQC2T.

"Niet alleen hebben we de qubits dichter bij elkaar gebracht sinds onze laatste doorbraak, maar we hebben geleerd om elk aspect van het apparaatontwerp met sub-nanometerprecisie te controleren om de hoge getrouwheid te behouden."

Qubit-interacties in realtime observeren en besturen

Het team kon vervolgens in realtime meten hoe de qubits-toestanden evolueerden. En, meest opwindend, de onderzoekers lieten zien hoe de interactiesterkte tussen twee elektronen op de nanoseconde tijdschaal kan worden gecontroleerd.

"Belangrijk, we waren in staat om de elektronen van de qubit dichter of verder uit elkaar te brengen, effectief de interactie tussen hen in- en uitschakelen, een voorwaarde voor een kwantumpoort, ", zegt andere hoofdauteur Yu He.

"De strakke opsluiting van de elektronen van de qubit, uniek voor onze aanpak, en de inherent lage ruis in ons systeem stelde ons in staat om de snelste twee qubit-poort in silicium tot nu toe te demonstreren."

"De kwantumpoort die we hebben gedemonstreerd, de zogenaamde SWAP-poort, is ook bij uitstek geschikt om kwantuminformatie tussen qubits te pendelen - en, in combinatie met een enkele qubit-poort, stelt u in staat om elk kwantumalgoritme uit te voeren."

Een ding van fysieke onmogelijkheid? Niet meer

Professor Simmons zegt dat dit het hoogtepunt is van twee decennia werk.

"Dit is een enorme vooruitgang:om de natuur op het allerkleinste niveau te kunnen beheersen, zodat we interacties tussen twee atomen kunnen creëren, maar ook individueel met elkaar kunnen praten zonder de ander te storen, is ongelooflijk. Veel mensen dachten dat dit niet mogelijk, " ze zegt.

"De belofte is altijd geweest dat als we de qubit-wereld op deze schaal zouden kunnen beheersen, ze zouden snel zijn, en dat zijn ze zeker!"