Grupa fizyków z australijskiego Uniwersytetu Nowej Południowej Walii (University of New South Wales, UNSW) opracowała najszybszą bramkę kwantową w historii. Na czele zespołu stoi profesor Michelle Simmons, znana z ważnych osiągnięć na polu informatyki kwantowej.

Australijczycy zbudowali dwukubitową bramkę kwantową na krzemie, która przeprowadziła operację logiczną w czasie 0,8 nanosekundy. To 200-krotnie szybciej niż inne istniejące bazujące na spinie bramki dwukubitowe.

Zespół profesor Simmons bazował na swoich wcześniejszych przełomowych pracach, kiedy to dzięki niezwykłej precyzji pomiarów jako pierwsi wykazali, że dwa kubity wchodzą w interakcje. Zespół profesor Simmons jest jedynym na świecie, który potrafi dokładnie określić pozycję kubitów w ciele stałym.

Australijczycy zbudowali bramkę umieszczając dwa atomy bliżej siebie niż kiedykolwiek wcześniej, a nastepnie, w czasie rzeczywistym, w sposób kontrolowany obserwując i mierząc ich spiny. Ich unikatowe podejście polega na umieszczaniu kubitów oraz całej elektroniki potrzebnej do inicjalizacji, kontroli i pomiarów ich stanów z taką precyzją, jaka do niedawna wydawała się niemożliwa. Teraz naukowcy pracują nad przełożeniem swojej technologii na praktyczne skalowalne zastosowania, które pozwolą na seryjną budowę procesorów.

Najszybsza bramka kwantowa powstała dzięki precyzyjnej kontroli ułożenia atomów, które dzieli od siebie zaledwie 13 nanometrów, © UNSW Sydney

Rekord najdłuższej koherencji na krzemie należy do atomowych kubitów. Dzięki wykorzystaniu naszej unikatowej technologii byliśmy w stanie z wysokim stopniem dokładności odczytać i inicjalizować pojedyncze spiny elektronów w atomowych kubitach na krzemie. Wykazaliśmy tez, że nasz system charakteryzuje się najniższym szumem elektronicznym spośród wszystkich systemów wykorzystujących kubity na półprzewodniku. Teraz zoptymalizowaliśmy wszystkie elementy naszej technologii, dzięki czemu uzyskaliśmy naprawdę szybko, dokładną dwukubitową bramkę, która jest podstawowym budulcem krzemowego komputera kwantowego. Wykazaliśmy, że możliwa jest kontrola w skali atomowej i daje to olbrzymie korzyści, w tym niezwykłą prędkość działania naszego systemu, cieszy się profesor Simmons.

Dziekan Wydziału Nauk Ścisłych, profesor Emma Johnston dodaje: To jeden z ostatnich kamieni milowych, jakie zespół Michelle musiał osiągnąć, by wybudować komputer kwantowy na krzemie. Ich kolejnym celem jest stworzenie 10-kubitowego obwodu scalonego. Mamy nadzieję, że osiągną to w ciągu 3–4 lat.

Zespół Simmons najpierw wykorzystał skaningowy mikroskop tunelowy do określenia optymalnej odległości pomiędzy dwoma kubitami. Opracowana przez nas technologia produkcji pozwoliła na umieszczenie kubitów dokładnie tam, gdzie chcieliśmy. Dzięki temu kubitowa bramka była tak szybka, jak to tylko możliwe, mówi współautor badań Sam Gorman. Nie tylko umieściliśmy kubity bliżej niż podczas naszych poprzednich przełomowych badań, ale nauczyliśmy się kontrolować z precyzją subnanometrową wszystkie aspekty naszej architektury.

Następnie naukowcy byli w stanie w czasie rzeczywistym mierzyć stany kubitów oraz – co chyba najważniejsze – kontrolowali siłę interakcji pomiędzy dwoma elektronami w przedziałach czasowych sięgających nanosekund. Mogliśmy oddalać i przybliżać do siebie elektrony i w ten sposób włączać i wyłączać interakcje pomiędzy nimi, dodaje inny uczestnik badań, Yu He. Zaprezentowana przez nas bramka kwantowa, zwaną bramką SWAP, jest idealnie przystosowana do wymiany informacji kwantowej pomiędzy kubitami, a po połączeniu z bramką z pojedynczego kubity pozwala na wykonanie dowolnego algorytmu kwantowego.

Najnowsze osiągnięcie to ukoronowanie 20 lat pracy. To olbrzymi postęp. Możemy kontrolować naturę na najniższym poziomie, możemy więc tworzyć interakcje pomiędzy dwoma atomami, a także wchodzić w interakcje z jednym z nich, nie zaburzając stanu drugiego. To coś niewiarygodnego. Wiele osób sądziło, że jest to niemożliwe. Tym, co zachęcało nas do pracy było przypuszczenie, że jeśli uda się nam kontrolować zjawiska w tej skali, to będą one przebiegały niezwykle szybko. I tak rzeczywiście jest, ekscytuje się Simmons.

 

 

 

Źródło: Uniwersytet Nowej Południowej Walii, KopalniaWiedzy