Onderzoekers van UNSW Sydney hebben het laagste geregistreerde geluidsniveau aangetoond voor een halfgeleider-kwantumbit, of qubit. Het onderzoek is gepubliceerd in Geavanceerde materialen .

Om kwantumcomputers nuttige berekeningen te laten uitvoeren, kwantuminformatie moet bijna 100 procent nauwkeurig zijn. Laadruis - veroorzaakt door onvolkomenheden in de materiële omgeving waarin qubits worden gehost - interfereert met kwantuminformatie die is gecodeerd op qubits, van invloed zijn op de juistheid van de informatie.

"Het niveau van ladingsruis in halfgeleiderqubits is een cruciaal obstakel geweest voor het bereiken van de nauwkeurigheidsniveaus die we nodig hebben voor grootschalige foutgecorrigeerde kwantumcomputers, " zegt hoofdauteur Ludwik Kranz, een doctoraat student aan UNSW's Center for Quantum Computation and Communication Technology (CQC ² T) werkt samen met het spin-offbedrijf van het Centrum, Silicon Quantum Computing (SQC).

"Ons onderzoek heeft aangetoond dat we het laadgeluid tot een aanzienlijk laag niveau kunnen verminderen, het minimaliseren van de impact die het heeft op onze qubits, ', zegt Kranz.

"Door het fabricageproces van de siliciumchip te optimaliseren, we bereikten een geluidsniveau dat 10 keer lager was dan eerder geregistreerd. Dit is de laagste geregistreerde ladingsruis van alle halfgeleiderqubits."

Stille qubits maken

Qubits gemaakt van elektronen die worden gehost op atoomqubits in silicium - de benadering die prof. Simmons sinds 2000 verdedigt - zijn een veelbelovend platform voor grootschalige kwantumcomputers.

Echter, qubits gehost in elk halfgeleiderplatform zoals silicium, zijn gevoelig voor laadgeluiden.

Uit het onderzoek van het team bleek dat de aanwezigheid van defecten in de siliciumchip of aan de interface naar het oppervlak een significante bijdrage leverde aan de ladingsruis.

"Dit was een verrassing, omdat we veel tijd hebben besteed aan het optimaliseren van de kwaliteit van onze siliciumchip, maar dit toonde aan dat zelfs een paar onzuiverheden in de buurt de ruis kunnen beïnvloeden, ', zegt Kranz.

Door de onzuiverheden in de siliciumchip te verminderen en de atomen weg te plaatsen van het oppervlak en de interfaces waar de meeste ruis vandaan komt, het team waren in staat om het recordbrekende resultaat te produceren.

"Onze resultaten blijven aantonen dat silicium een ​​geweldig materiaal is om qubits te hosten. Met ons vermogen om elk aspect van de qubit-omgeving te ontwikkelen, we bewijzen systematisch dat atoomqubits in silicium reproduceerbaar zijn, snel en stabiel, " zegt prof. Michelle Simmons, directeur CQC ² T.

"Onze volgende uitdaging is om over te stappen op isotopisch zuiver kristallijn Si-28 om te profiteren van de lange coherentietijden die al in dit systeem zijn aangetoond."

Tijd is alles

Met behulp van de nieuw vervaardigde siliciumchip, het team voerde vervolgens een reeks experimenten uit om het laadgeluid te karakteriseren, met onverwachte resultaten.

"We hebben de ladingsruis gemeten met behulp van zowel een enkele elektronentransistor als een uitwisselingsgekoppeld qubit-paar dat samen een consistent ladingsruisspectrum over een breed frequentiebereik biedt, " zegt CQC ² T co-auteur Dr. Sam Gorman.

De metingen brachten een belangrijke factor aan het licht die van invloed is op het laadgeluid:de tijd.

"Van het geluidsspectrum dat we hebben gemeten, we weten dat hoe langer de berekening - hoe meer ruis ons systeem beïnvloedt, " zegt dr. Gorman.

"Dit heeft grote gevolgen voor het ontwerp van toekomstige apparaten, waarbij kwantumbewerkingen in uitzonderlijk korte tijdsbestekken moeten worden voltooid, zodat het laadgeluid na verloop van tijd niet erger wordt, het toevoegen van fouten aan de berekening."

Systematisch toewerken naar een commercieel beschikbare silicium-quantumcomputer

Om foutloze berekeningen uit te voeren die nodig zijn voor grootschalige quantum computing, een poort van twee qubits - de centrale bouwsteen van elke kwantumcomputer - heeft een betrouwbaarheid - of nauwkeurigheid - van meer dan 99% nodig. Om deze getrouwheidsdrempel te bereiken, moeten kwantumbewerkingen stabiel en snel zijn.

In een recent artikel, gepubliceerd in Fysieke beoordeling X - de Simmons-groep, gebruikmakend van hun atomaire precisievermogen, demonstreerde het vermogen om de qubits in 1 microseconde uit te lezen.

"Dit onderzoek in combinatie met onze laagste laadruisresultaten laat zien dat het mogelijk is om een ​​getrouwheid van 99,99% in atoomqubits in silicium te bereiken, " zegt prof. Simmons, die ook de oprichter is van SQC.

"Ons team werkt er nu aan om al deze belangrijke resultaten op één apparaat te leveren:snel, stal, high-fidelity en met lange coherentietijden - een belangrijke stap dichter bij een volledige kwantumprocessor in silicium."

Professor Simmons werkt samen met SQC om de eerste bruikbare, commerciële kwantumcomputer in silicium. Co-locatie met CQC ² T op de UNSW Sydney-campus, Het doel van SQC is om de capaciteit te demonstreren die nodig is om tegen 2023 op betrouwbare wijze een 10-qubit prototype quantum-geïntegreerde processor te produceren.

"De resultaten van ons team bevestigen verder dat onze unieke benadering - van het nauwkeurig positioneren van fosforatomen in silicium - een veelbelovend vooruitzicht is voor het bouwen van de foutgecorrigeerde, grootschalige architectuur die nodig is voor de commercialisering van silicium-quantumcomputers, " zegt prof. Simmons.