Twee onderzoeksteams die in dezelfde laboratoria bij UNSW Australia werken, hebben verschillende oplossingen gevonden voor een kritieke uitdaging die de realisatie van superkrachtige kwantumcomputers heeft belemmerd.

De teams creëerden twee soorten kwantumbits, of "qubits" - de bouwstenen voor kwantumcomputers - die elk kwantumgegevens verwerken met een nauwkeurigheid van meer dan 99%. De twee bevindingen zijn vandaag gelijktijdig gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

"Om quantumcomputing een realiteit te laten worden, moeten we de bits met zeer lage foutenpercentages gebruiken, " zegt Scientia Professor Andrew Dzurak, die directeur is van de Australian National Fabrication Facility bij UNSW, waar de apparaten zijn gemaakt.

"We hebben nu twee parallelle routes bedacht voor het bouwen van een kwantumcomputer in silicium, die elk deze supernauwkeurigheid tonen, ", voegt universitair hoofddocent Andrea Morello van de UNSW-school voor elektrotechniek en telecommunicatie toe.

De UNSW-teams, die ook zijn aangesloten bij het ARC Centre of Excellence for Quantum Computation &Communication Technology, waren de eersten ter wereld die spin-qubits met één atoom in silicium demonstreerden, gemeld in Natuur in 2012 en 2013.

Nu heeft het team onder leiding van Dzurak een manier ontdekt om een ​​'kunstmatig atoom'-qubit te maken met een apparaat dat opmerkelijk veel lijkt op de siliciumtransistors die in consumentenelektronica worden gebruikt. bekend als MOSFET's. Postdoctoraal onderzoeker Menno Veldhorst, hoofdauteur van het artikel over de kunstmatige atoomqubit, zegt, "Het is echt verbazingwekkend dat we zo'n nauwkeurige qubit kunnen maken met vrijwel dezelfde apparaten als onze laptops en telefoons".

In de tussentijd, Het team van Morello heeft de "natuurlijke" fosforatoomqubit tot het uiterste gedreven. Dr Juha Muhonen, een postdoctoraal onderzoeker en hoofdauteur van het qubit-papier van natuurlijke atomen, merkt op:"Het fosforatoom bevat in feite twee qubits:het elektron, en de kern. Met de kern in het bijzonder, we hebben een nauwkeurigheid van bijna 99,99% bereikt. Dat betekent slechts één fout voor elke 10, 000 kwantumbewerkingen."

Dzurak legt uit dat, "hoewel er methoden bestaan ​​om fouten te corrigeren, hun effectiviteit is alleen gegarandeerd als de fouten minder dan 1% van de tijd voorkomen. Onze experimenten behoren tot de eerste in vaste toestand, en de allereerste in silicium, om aan deze eis te voldoen."

De zeer nauwkeurige bewerkingen voor zowel natuurlijke als kunstmatige atoomqubits worden bereikt door elk in een dunne laag speciaal gezuiverd silicium te plaatsen, die alleen de silicium-28 isotoop bevat. Deze isotoop is perfect niet-magnetisch en, in tegenstelling tot die in natuurlijk voorkomend silicium, verstoort de quantumbit niet. Het gezuiverde silicium werd geleverd door samenwerking met professor Kohei Itoh van de Keio University in Japan.

De volgende stap voor de onderzoekers is om paren van zeer nauwkeurige kwantumbits te bouwen. Grote kwantumcomputers zullen naar verwachting bestaan ​​uit vele duizenden of miljoenen qubits en kunnen zowel natuurlijke als kunstmatige atomen integreren.

Het onderzoeksteam van Morello vestigde ook een wereldrecord "coherentietijd" voor een enkele kwantumbit die in vaste toestand werd gehouden. "Coherentietijd is een maatstaf voor hoe lang je kwantuminformatie kunt bewaren voordat deze verloren gaat, " zegt Morello. Hoe langer de coherentietijd, hoe gemakkelijker het wordt om lange reeksen bewerkingen uit te voeren, en dus complexere berekeningen.

Het team was in staat om kwantuminformatie meer dan 30 seconden op te slaan in een fosforkern. "Een halve minuut is een eeuwigheid in de kwantumwereld. Een 'kwantumsuperpositie' zo lang behouden, en in wat in feite een aangepaste versie is van een normale transistor, is iets dat tot op de dag van vandaag bijna niemand voor mogelijk hield, ' zegt Morello.

"Voor onze twee groepen om tegelijkertijd deze dramatische resultaten te behalen met twee heel verschillende systemen is heel speciaal, vooral omdat we echt geweldige vrienden zijn, " voegt Dzurak toe.