Badania prowadzone przez UNSW Sydney torują drogę dla dużych procesorów kwantowych na bazie krzemu do rzeczywistej produkcji i zastosowań.
Krzemowe urządzenie nanoelektroniczne używane do przechowywania procesora kwantowego zostało zbudowane przy użyciu metod zgodnych ze standardami branżowymi dla istniejących chipów komputerowych. (Autorzy zademonstrowali uniwersalne operacje logiki kwantowej przy użyciu pary wszczepionych jonowo jąder 31P w krzemowym urządzeniu nanoelektronicznym. Urządzenie jest wytwarzane przy użyciu metod zgodnych ze standardowymi procesami branżowymi stosowanymi dla wszystkich istniejących chipów komputerowych.). Źródło: Tony Melov / UNSW
Australijscy naukowcy udowodnili, że możliwe są niemal bezbłędne obliczenia kwantowe, torując drogę do budowy urządzeń kwantowych opartych na krzemie kompatybilnych z obecną technologią produkcji półprzewodników.
„Publikacja w Nature pokazuje, że nasze operacje były w 99 procentach wolne od błędów” – mówi profesor Andrea Morello z UNSW, która kierowała pracami.
„Kiedy błędy są tak rzadkie, możliwe staje się ich wykrycie i poprawienie, gdy się pojawią. To pokazuje, że możliwe jest zbudowanie komputerów kwantowych, które mają wystarczającą skalę i wystarczającą moc, aby poradzić sobie z sensownymi obliczeniami. ”
Ten fragment badań jest ważnym kamieniem milowym w podróży, która nas tam doprowadzi” – mówi prof. Morello.
Obliczenia kwantowe w krzemie osiągają próg 99%
Artykuł Morello jest jednym z trzech opublikowanych 19 stycznia w Nature, które niezależnie potwierdzają, że solidne, niezawodne obliczenia kwantowe w krzemie są obecnie rzeczywistością. Ten przełom znajduje się na okładce czasopisma.
- Morello i inni osiągnęli wierność działania 1 kubitu do 99,95 procent i wierność 2-kubitową 99,37 procent z układem trzykubitowym składającym się z elektronu i dwóch atomów fosforu, wprowadzonego do krzemu poprzez implantację jonową.
- Zespół Delft w Holandii kierowany przez Lieven Vandersypen osiągnął 99,87 procent 1-kubitowych i 99,65 procent 2-kubitowych wierności przy użyciu spinów elektronów w kropkach kwantowych utworzonych w stosie krzemu i stopu krzemowo-germanowego (Si / SiGe).
- Zespół RIKEN w Japonii kierowany przez Seigo Tarucha podobnie osiągnął 99,84 procent 1-kubitowych i 99,51 procent 2-kubitowych wierności w układzie dwuelektronowym przy użyciu kropek kwantowych Si / SiGe.
Wizualizacja systemu trzykubitowego UNSW, który może wykonywać operacje logiki kwantowej z ponad 99% dokładnością. (Wierność operacji kwantowych powyżej 99% uzyskano w trzykubitowym krzemowym procesorze kwantowym. Pierwsze dwa kubity (Q1, Q2) są spinami jądrowymi indywidualnie wszczepionych atomów fosforu (czerwonych kul). Trzeci kubit (Q3) jest spinem elektronu, który owija się wokół obu jąder (błyszcząca elipsa).). Źródło: Tony Melov / UNSW
Zespoły UNSW i Delft certyfikowały wydajność swoich procesorów kwantowych za pomocą wyrafinowanej metody zwanej tomografią zestawu bramek, opracowanej w Sandia National Laboratories w USA i udostępnionej społeczności badawczej.
Morello wcześniej zademonstrował, że może zachować informację kwantową w krzemie przez 35 sekund, ze względu na ekstremalną izolację spinów jądrowych od ich otoczenia.
L-R Asaad, Morello, Madzik: Serwan Asaad, Andrea Morello i Mateusz Mądzik są głównymi autorami artykułu UNSW, który wykazał 99 procent bezbłędnych operacji kwantowych. Źródło: Kearon de Clouet / UNSW
„W świecie kwantowym 35 sekund to wieczność” – mówi prof. Morello. „Dla porównania, w słynnych nadprzewodzących komputerach kwantowych Google i IBM żywotność wynosi około stu mikrosekund – prawie milion razy krótsza”, ale kompromis polegał na tym, że izolowanie kubitów sprawiało, że pozornie niemożliwe było ich interakcja ze sobą, co było konieczne do wykonywania rzeczywistych obliczeń.
Trzy kubity można przygotować w stanie splątanym kwantowo, co odblokowuje wykładniczą moc komputerów kwantowych. (Spiny jądrowe są wyjątkowo dobrymi kubitami, ze względu na ich wyjątkową izolację od środowiska. Ta sama cecha utrudnia im jednak interakcję i wykonywanie operacji logiki kwantowej. Przełom zespołu polega na wykorzystaniu wspólnego elektronu do pośredniczenia w interakcji, co prowadzi do uniwersalnych operacji logiki kwantowej o wysokiej wierności. Co więcej, sam elektron jest wysokiej jakości kubitem i może być umieszczony w stanie w pełni splątanym kwantowo z dwoma jądrami.). Źródło: Tony Melov / UNSW
Spiny jądrowe uczą się dokładnie oddziaływać
Dzisiejszy artykuł opisuje, w jaki sposób jego zespół przezwyciężył ten problem, używając elektronu obejmującego dwa jądra atomów fosforu.
„Jeśli masz dwa jądra, które są połączone z tym samym elektronem, możesz zmusić je do wykonania operacji kwantowej” – mówi dr Mateusz Mądzik, jeden z głównych autorów eksperymentalnych.
„Podczas gdy nie obsługujesz elektronu, te jądra bezpiecznie przechowują swoje informacje kwantowe. Ale teraz masz możliwość zmuszenia ich do rozmowy ze sobą za pośrednictwem elektronu, aby zrealizować uniwersalne operacje kwantowe, które można dostosować do każdego problemu obliczeniowego. ”
„To naprawdę jest technologia odblokowująca” – mówi dr Serwan Asaad, inny główny autor eksperymentów. „Spiny jądrowe są rdzeniem procesora kwantowego. Jeśli splączesz je z elektronem, elektron może zostać przeniesiony w inne miejsce i splątany z innymi jądrami kubitów dalej, otwierając drogę do tworzenia dużych tablic kubitów zdolnych do solidnych i użytecznych obliczeń. ”
System trzykubitowy toruje drogę do zwiększenia skali procesora kwantowego w przyszłości, ponieważ elektron może być łatwo splątany z innymi elektronami lub przeniesiony przez układ. (Trzykubitowy splątany stan jąder i elektronów toruje drogę do zwiększenia skali procesora kwantowego w przyszłości. Elektron może być łatwo splątany z innymi elektronami lub fizycznie przemieszczany przez chip. W ten sposób zespół UNSW będzie w stanie produkować i obsługiwać duże macierze kubitów zdolnych do solidnych i użytecznych obliczeń.). Źródło: Tony Melov / UNSW
David Jamieson, kierownik badań na Uniwersytecie w Melbourne, dodaje: „Atomy fosforu zostały wprowadzone do chipa krzemowego za pomocą implantacji jonowej, tej samej metody, która jest stosowana we wszystkich istniejących krzemowych chipach komputerowych. Gwarantuje to, że nasz przełom kwantowy jest kompatybilny z szerszym przemysłem półprzewodników. ”
Mateusz Mądzik, jeden z głównych autorów. Źródło: UNSW
Wszystkie istniejące komputery wdrażają jakąś formę korekcji błędów i redundancji danych, ale prawa fizyki kwantowej stanowią poważne ograniczenia dla sposobu, w jaki korekcja odbywa się w komputerze kwantowym. Prof. Morello wyjaśnia: „Zazwyczaj potrzebujesz wskaźników błędów poniżej 1 procenta, aby zastosować protokoły korekcji błędów kwantowych. Po osiągnięciu tego celu możemy zacząć projektować krzemowe procesory kwantowe, które skalują się i działają niezawodnie w celu uzyskania użytecznych obliczeń. ”
