Onderzoekers van het Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC ² T) werken met Silicon Quantum Computing (SQC) hebben de 'sweet spot' gevonden voor het positioneren van qubits in silicium om op atomen gebaseerde kwantumprocessors op te schalen.

Kwantumbits maken, of qubits, door fosforatomen precies in silicium te plaatsen - de methode die is ontwikkeld door CQC ² T-directeur professor Michelle Simmons - is een toonaangevende benadering in de ontwikkeling van een silicium-quantumcomputer.

In het onderzoek van het team vandaag gepubliceerd in Natuurcommunicatie , precisieplaatsing is essentieel gebleken voor het ontwikkelen van robuuste interacties - of koppeling - tussen qubits.

"We hebben de optimale positie gevonden om reproduceerbare, sterke en snelle interacties tussen de qubits, " zegt professor Sven Rogge, die het onderzoek leidde.

"We hebben deze robuuste interacties nodig om een ​​multi-qubitprocessor te ontwikkelen en, uiteindelijk, een nuttige kwantumcomputer."

Twee-qubit-poorten - de centrale bouwsteen van een kwantumcomputer - gebruiken interacties tussen paren qubits om kwantumbewerkingen uit te voeren. Voor atoomqubits in silicium geldt eerder onderzoek heeft gesuggereerd dat voor bepaalde posities in het siliciumkristal, interacties tussen de qubits bevatten een oscillerende component die de poortoperaties zou kunnen vertragen en ze moeilijk te controleren zou maken.

"Al bijna twee decennia lang de potentiële oscillerende aard van de interacties is voorspeld als een uitdaging voor opschaling, " zegt prof. Rogge.

"Nutsvoorzieningen, door nieuwe metingen van de qubit-interacties, we hebben een diep begrip ontwikkeld van de aard van deze oscillaties en stellen een strategie voor van nauwkeurige plaatsing voor om de interactie tussen de qubits robuust te maken. Dit is een resultaat waarvan velen dachten dat het niet mogelijk was."

De 'sweet spot' vinden in kristalsymmetrieën

De onderzoekers zeggen dat ze nu hebben ontdekt dat precies waar je de qubits plaatst, essentieel is voor het creëren van sterke en consistente interacties. Dit cruciale inzicht heeft belangrijke implicaties voor het ontwerp van grootschalige processors.

"Silicium is een anisotroop kristal, wat betekent dat de richting waarin de atomen worden geplaatst de interacties tussen hen aanzienlijk kan beïnvloeden, " zegt dr. Benoit Voisin, hoofdauteur van het onderzoek.

"Hoewel we al wisten van deze anisotropie, niemand had in detail onderzocht hoe het daadwerkelijk kon worden gebruikt om de oscillerende interactiesterkte te verminderen."

"We ontdekten dat er een speciale hoek is, of zoete plek, binnen een bepaald vlak van het siliciumkristal waar de interactie tussen de qubits het meest veerkrachtig is. belangrijk, deze sweet spot is haalbaar met behulp van bestaande scanning tunneling microscope (STM) lithografietechnieken die zijn ontwikkeld bij UNSW."

"Uiteindelijk, zowel het probleem als de oplossing ervan komen rechtstreeks voort uit kristalsymmetrieën, dus dit is een leuke wending."

Met behulp van een STM, het team is in staat om de golffunctie van de atomen in 2D-beelden in kaart te brengen en hun exacte ruimtelijke locatie in het siliciumkristal te identificeren - voor het eerst aangetoond in 2014 met onderzoek gepubliceerd in Natuurmaterialen en gevorderd in een 2016 Natuur Nanotechnologie papier.

In het laatste onderzoek het team gebruikte dezelfde STM-techniek om details op atomaire schaal van de interacties tussen de gekoppelde atoomqubits te observeren.

"Met behulp van onze kwantumtoestand-beeldvormingstechniek, we konden voor het eerst zowel de anisotropie in de golffunctie als het interferentie-effect direct in het vlak waarnemen - dit was het startpunt om te begrijpen hoe dit probleem zich afspeelt, " zegt dr. Voisin.

"We begrepen dat we eerst de impact van elk van deze twee ingrediënten afzonderlijk moesten berekenen, voordat we naar het volledige plaatje kijken om het probleem op te lossen - dit is hoe we deze goede plek konden vinden, die gemakkelijk compatibel is met de atomaire plaatsingsprecisie die wordt geboden door onze STM-lithografietechniek."

Een silicium-kwantumcomputer atoom voor atoom bouwen

UNSW-wetenschappers bij CQC ² T leiden de wereld in de race om op atomen gebaseerde kwantumcomputers in silicium te bouwen. De onderzoekers van CQC ² T, en het verwante commercialiseringsbedrijf SQC, zijn het enige team ter wereld dat de exacte positie van hun qubits in vaste toestand kan zien.

in 2019, de Simmons-groep bereikte een belangrijke mijlpaal in hun benadering van nauwkeurige plaatsing - waarbij het team eerst de snelste twee-qubit-poort in silicium bouwde door twee atoom-qubits dicht bij elkaar te plaatsen, en vervolgens hun spintoestanden in realtime controleerbaar te observeren en te meten. Het onderzoek is gepubliceerd in Natuur .

Nutsvoorzieningen, met de nieuwste ontwikkelingen van het Rogge-team, de onderzoekers van CQC ² T en SQC zijn gepositioneerd om deze interacties te gebruiken in systemen op grotere schaal voor schaalbare processors.

"Het kunnen observeren en nauwkeurig plaatsen van atomen in onze siliciumchips blijft een concurrentievoordeel bieden voor het fabriceren van kwantumcomputers in silicium, " zegt prof. Simmons.

De gecombineerde Simmons, De teams van Rogge en Rahman werken 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 het bouwen van de hoogste kwaliteit, meest stabiele kwantumprocessor.