Уникальный австралийский подход к созданию квантовых битов из точно расположенных отдельных атомов в кремнии приносит большие плоды: ученые из Университета Южного Южного Уэльса, возглавляемые Сиднеем, впервые продемонстрировали, что они могут заставить два таких атомных кубита «разговаривать» друг с другом. другое.
Команда, возглавляемая профессором UNSW Мишель Симмонс, директором Центра передового опыта квантовых вычислений и коммуникационных технологий, или CQC2T, является единственной группой в мире, которая имеет возможность видеть точное положение своих кубитов. в твердом состоянии.
Команда Симмонса создает атомные кубиты, точно размещая и заключая отдельные атомы фосфора в кремниевый чип. Информация хранится в квантовом спине одного электрона фосфора.
Последнее достижение команды - первое наблюдение контролируемых взаимодействий между двумя из этих кубитов - опубликовано в журнале Nature Communications. Это следует за двумя другими недавними прорывами, использующими этот уникальный подход к созданию квантового компьютера.
Оптимизировав процесс производства нанотехнологий, команда Симмонса также недавно создала квантовую схему с самым низким зарегистрированным электрическим шумом среди всех полупроводниковых устройств.
И они создали кубит с электронным спином с самым большим временем жизни, когда-либо зарегистрированным в наноэлектрическом устройстве - 30 секунд.
"Объединенные результаты этих трех исследовательских работ подтверждают чрезвычайно многообещающие перспективы построения многокубитных систем с использованием наших атомных кубитов", - говорит Симмонс.
Австралиец года 2018 по мотивам Ричарда Фейнмана
Симмонс, которая в январе была названа Австралийкой года 2018 за свои новаторские исследования в области квантовых вычислений, говорит, что новаторская работа ее команды вдохновлена покойным физиком Ричардом Фейнманом.
«Фейнман сказал: «То, что я не могу создать, я не понимаю». Мы применяем эту стратегию систематически, с нуля, атом за атомом», - говорит Симмонс.
Помещая наши атомы фосфора в кремний для создания кубита, мы продемонстрировали, что можем использовать сканирующий зонд для непосредственного измерения волновой функции атома, что говорит нам о его точном физическом местоположении в чипе. Мы единственная группа в мире, которая действительно может видеть, где находятся наши кубиты.
Наше конкурентное преимущество заключается в том, что мы можем поместить наш высококачественный кубит туда, где мы хотим, в чипе, посмотреть, что мы сделали, а затем измерить, как он себя ведет. Мы можем добавить еще один кубит рядом и посмотреть, как две волновые функции взаимодействуют. И тогда мы сможем начать генерировать реплики созданных нами устройств», - говорит она.
Для нового исследования команда поместила два кубита - один из двух атомов фосфора и один из одного атома фосфора - на расстоянии 16 нанометров друг от друга в кремниевый чип.
«Используя электроды, которые были нанесены на чип с помощью аналогичных точных методов, мы смогли контролировать взаимодействие между этими двумя соседними кубитами, поэтому квантовые спины их электронов стали коррелировать», - говорит ведущий соавтор исследования. Доктор Мэтью Брум, ранее работавший в UNSW, а теперь работающий в Копенгагенском университете.
Было интересно наблюдать. Когда спин одного электрона направлен вверх, другой направлен вниз, и наоборот.
«Это важная веха для технологии. Этот тип спиновых корреляций является предшественником запутанных состояний, которые необходимы квантовому компьютеру для работы и выполнения сложных вычислений», - говорит он.
Соавтор исследования, Сэм Горман из UNSW, говорит: «Теория предсказывала, что два кубита должны быть размещены на расстоянии 20 нанометров друг от друга, чтобы увидеть этот корреляционный эффект. Но мы обнаружили, что это происходит на расстоянии всего 16 нанометров друг от друга».
«В нашем квантовом мире это очень большая разница», - говорит он. «Также блестяще, как экспериментатор, бросать вызов теории».
Лидер гонки по созданию квантового компьютера на кремнии
Ученые и инженеры Университета Нового Южного Уэльса из CQC2T лидируют в гонке по созданию квантового компьютера из кремния. Они разрабатывают параллельные запатентованные подходы с использованием одиночных атомов и кубитов с квантовыми точками.
«Мы надеемся, что оба подхода будут работать хорошо. Это было бы потрясающе для Австралии», - говорит Симмонс.
Команда UNSW решила работать с кремнием, потому что это одна из самых стабильных и легко производимых сред для размещения кубитов, а его долгая история использования в традиционной компьютерной индустрии означает, что существует обширный объем знаний. об этом материале.
В 2012 году команда Симмонса, которая использовала сканирующие туннельные микроскопы для размещения отдельных атомов фосфора в кремнии, а затем методом молекулярно-лучевой эпитаксии для их инкапсуляции, создала самые узкие проводящие провода в мире, всего четыре атома фосфора в поперечнике и один атом в высоту..
В недавней статье, опубликованной в журнале Nano Letters, они использовали аналогичные методы контроля атомного масштаба для производства схем шириной около 2-10 нанометров и показали, что они имеют самый низкий зарегистрированный электрический шум среди всех полупроводниковых схем. Эта работа была проведена совместно с Сакибом Шамимом и Ариндамом Гошем из Индийского института науки.
«Широко признано, что электрические помехи от схемы, управляющей кубитами, будут критическим фактором, ограничивающим их производительность», - говорит Симмонс.
Наши результаты подтверждают, что кремний является оптимальным выбором, поскольку его использование позволяет избежать проблемы, с которой сталкивается большинство других устройств, связанной с наличием смеси различных материалов, включая диэлектрики и поверхностные металлы, которые могут быть источником и усиливать электрический шум.
«Благодаря нашему точному подходу мы достигли того, что, по нашему мнению, является самым низким уровнем электрического шума, возможным для электронного наноустройства из кремния - на три порядка ниже, чем даже при использовании углеродных нанотрубок», - говорит она.
В другой недавней статье в журнале Science Advances команда Симмонса показала, что их прецизионные кубиты в кремнии могут быть спроектированы таким образом, чтобы спин электрона имел рекордное время жизни 30 секунд, что в 16 раз больше, чем сообщалось ранее. Первый автор, доктор Томас Уотсон, работал над докторской диссертацией в Университете Нового Южного Уэльса, а сейчас работает в Делфтском технологическом университете.
«Это горячая тема для исследований, - говорит Симмонс. «Время жизни спина электрона - до того, как он начнет распадаться, например, от спина вверх к спину вниз - жизненно важно. Чем дольше время жизни, тем дольше мы можем хранить информацию в ее квантовом состоянии».
В той же статье они показали, что такое длительное время жизни позволило им последовательно считывать спины электронов двух кубитов с точностью 99,8% для каждого, что является уровнем, необходимым для практической коррекции ошибок в квантовом анализе. процессор.
Первая в Австралии компания по квантовым вычислениям
Вместо того, чтобы выполнять вычисления один за другим, как обычный компьютер, квантовый компьютер будет работать параллельно и сможет одновременно просматривать все возможные результаты. Он сможет за считанные минуты решать проблемы, на которые в противном случае ушли бы тысячи лет.
В прошлом году была создана первая в Австралии компания по квантовым вычислениям, поддерживаемая уникальным консорциумом правительств, промышленности и университетов, для коммерциализации ведущих мировых исследований CQC2T.
Работая в новых лабораториях Университета Нового Южного Уэльса, Silicon Quantum Computing Pty Ltd поставила цель к 2022 году произвести 10-кубитное демонстрационное устройство из кремния, которое станет предшественником квантового компьютера на основе кремния.
Правительство Австралии инвестировало 26 миллионов долларов в предприятие стоимостью 83 миллиона долларов в рамках своей Национальной программы инноваций и науки, при этом дополнительные 25 миллионов долларов поступили от UNSW, 14 миллионов долларов от Австралийского банка Содружества, 10 миллионов долларов от Telstra и 8 долларов.7 миллионов от правительства Нового Южного Уэльса.
Подсчитано, что квантовые вычисления могут оказать существенное влияние на отрасли, составляющие примерно 40% текущей экономики Австралии. Возможные приложения включают разработку программного обеспечения, машинное обучение, планирование и логистическое планирование, финансовый анализ, моделирование фондового рынка, проверку программного и аппаратного обеспечения, моделирование климата, быструю разработку и тестирование лекарств, а также раннее выявление и профилактику заболеваний.