Una imagen de microscopio de efecto túnel de barrido que muestra la función de onda electrónica de un qubit hecho a partir de un átomo de fósforo colocado con precisión en el silicio. Crédito:UNSW
El enfoque australiano único de crear bits cuánticos a partir de átomos individuales colocados con precisión en el silicio está obteniendo importantes recompensas. con científicos de la UNSW dirigidos por Sydney demostrando por primera vez que pueden hacer que dos de estos qubits de átomos "hablen" entre sí.
El equipo, dirigido por la profesora de la UNSW Michelle Simmons, Director del Centro de Excelencia para Computación Cuántica y Tecnología de la Comunicación, o CQC2T - es el único grupo en el mundo que tiene la capacidad de ver la posición exacta de sus qubits en estado sólido.
El equipo de Simmons crea los qubits de átomos colocando y encapsulando con precisión átomos de fósforo individuales dentro de un chip de silicio. La información se almacena sobre el espín cuántico de un solo electrón de fósforo.
El último avance del equipo, la primera observación de interacciones controlables entre dos de estos qubits, se publica en la revista. Comunicaciones de la naturaleza . Sigue a otros dos avances recientes que utilizan este enfoque único para construir una computadora cuántica.
Optimizando su proceso de nano-fabricación, El equipo de Simmons también ha creado recientemente circuitos cuánticos con el ruido eléctrico más bajo registrado de cualquier dispositivo semiconductor.
Y han creado un qubit de espín de electrones con la vida útil más larga jamás registrada en un dispositivo nanoeléctrico:30 segundos.
"Los resultados combinados de estos tres trabajos de investigación confirman las perspectivas extremadamente prometedoras para la construcción de sistemas de varios qubits utilizando nuestros qubits atómicos, "dice Simmons.
Australiano del año 2018 inspirado por Richard Feynman
Simmons, quien fue nombrada Australiana del Año 2018 en enero por su investigación pionera en computación cuántica, dice que el trabajo pionero de su equipo está inspirado en el fallecido físico Richard Feynman.
"Feynman dijo:'Lo que no puedo crear, No comprendo'. Estamos implementando esa estrategia de manera sistemática, desde el principio, átomo por átomo, "dice Simmons.
"Al colocar nuestros átomos de fósforo en el silicio para hacer un qubit, Hemos demostrado que podemos usar una sonda de escaneo para medir directamente la función de onda del átomo, que nos dice su ubicación física exacta en el chip. Somos el único grupo en el mundo que realmente puede ver dónde están nuestros qubits.
"Nuestra ventaja competitiva es que podemos colocar nuestro qubit de alta calidad donde queramos en el chip, mira lo que hemos hecho, y luego medir cómo se comporta. Podemos agregar otro qubit cercano y ver cómo interactúan las dos funciones de onda. Y luego podemos comenzar a generar réplicas de los dispositivos que hemos creado, " ella dice.
Profesora de la UNSW Michelle Simmons, Director del Centro de Excelencia para Computación Cuántica y Tecnología de la Comunicación, con un microscopio de efecto túnel. Crédito UNSW. Crédito:UNSW
Para el nuevo estudio, El equipo colocó dos qubits, uno hecho de dos átomos de fósforo y otro hecho de un solo átomo de fósforo, separados por 16 nanómetros en un chip de silicio.
"Usando electrodos que se modelaron en el chip con técnicas de precisión similares, pudimos controlar las interacciones entre estos dos qubits vecinos, por lo que los espines cuánticos de sus electrones se correlacionaron, "dice el coautor principal del estudio, Dr. Matthew Broome, anteriormente de UNSW y ahora en la Universidad de Copenhague.
"Fue fascinante de ver. Cuando el giro de un electrón apunta hacia arriba, los otros puntos hacia abajo, y viceversa.
“Este es un hito importante para la tecnología. Este tipo de correlaciones de espín son el precursor de los estados entrelazados que son necesarios para que una computadora cuántica funcione y lleve a cabo cálculos complejos, " él dice.
Coautor principal del estudio, Sam Gorman de la UNSW, dice:"La teoría había predicho que los dos qubits tendrían que colocarse a 20 nanómetros de distancia para ver este efecto de correlación. Pero descubrimos que ocurre a solo 16 nanómetros de distancia.
"En nuestro mundo cuántico, esta es una diferencia muy grande, ", dice." También es brillante, como experimentalista, desafiar la teoría ".
Liderando la carrera para construir una computadora cuántica en silicio
Los científicos e ingenieros de UNSW en CQC2T están liderando al mundo en la carrera para construir una computadora cuántica en silicio. Están desarrollando enfoques paralelos patentados que utilizan qubits de un solo átomo y de puntos cuánticos.
"Nuestra esperanza es que ambos enfoques funcionen bien. Sería fantástico para Australia, "dice Simmons.
El equipo de UNSW ha optado por trabajar en silicio porque se encuentra entre los entornos más estables y fáciles de fabricar para alojar qubits. y su larga historia de uso en la industria de las computadoras convencionales significa que existe un vasto cuerpo de conocimiento sobre este material.
En 2012, El equipo de Simmons, que utilizan microscopios de barrido de túnel para colocar los átomos de fósforo individuales en silicio y luego epitaxia de haz molecular para encapsularlos, creó los cables conductores más estrechos del mundo, sólo cuatro átomos de fósforo de ancho y un átomo de alto.
En un artículo reciente publicado en la revista Nano Letters, utilizaron técnicas de control de escala atómica similares para producir circuitos de entre 2 y 10 nanómetros de ancho y demostraron que tenían el ruido eléctrico más bajo registrado de todos los circuitos semiconductores. Este trabajo se llevó a cabo en conjunto con Saquib Shamim y Arindam Ghosh del Instituto Indio de Ciencia.
La impresión de un artista de dos qubits, uno hecho de dos átomos de fósforo y otro hecho de un solo átomo de fósforo, colocados a 16 nanómetros de distancia en un chip de silicio. Los científicos de la UNSW pudieron controlar las interacciones entre los dos qubits para que los espines cuánticos de sus electrones se correlacionaran. Cuando el espín de un electrón apunta hacia arriba, el otro apunta hacia abajo. Crédito:UNSW
"Está ampliamente aceptado que el ruido eléctrico de los circuitos que controlan los qubits será un factor crítico para limitar su rendimiento, "dice Simmons.
"Nuestros resultados confirman que el silicio es una opción óptima, porque su uso evita el problema que enfrentan la mayoría de los otros dispositivos de tener una mezcla de diferentes materiales, incluyendo dieléctricos y metales de superficie, que puede ser la fuente de y amplificar, ruido eléctrico.
"Con nuestro enfoque de precisión, hemos logrado lo que creemos que es el nivel de ruido eléctrico más bajo posible para un nanodispositivo electrónico de silicio:tres órdenes de magnitud menos que incluso con nanotubos de carbono, " ella dice.
En otro artículo reciente en Science Advances, El equipo de Simmons demostró que sus qubits de precisión en silicio podían diseñarse para que el espín del electrón tuviera una vida útil récord de 30 segundos, hasta 16 veces más de lo que se informó anteriormente. El primer autor, Dr. Thomas Watson, estaba en la UNSW realizando su doctorado y ahora está en la Universidad Tecnológica de Delft.
"Este es un tema candente de investigación, "dice Simmons." La vida útil del espín del electrón, antes de que comience a decaer, por ejemplo, de girar hacia arriba a girar hacia abajo - es vital. Cuanto más larga sea la vida, cuanto más tiempo podamos almacenar información en su estado cuántico ".
En el mismo papel demostraron que estas largas vidas les permitían leer los giros de electrones de dos qubits en secuencia con una precisión del 99,8 por ciento para cada uno, que es el nivel requerido para la corrección práctica de errores en un procesador cuántico.
La primera empresa de computación cuántica de Australia
En lugar de realizar cálculos uno tras otro, como una computadora convencional, una computadora cuántica funcionaría en paralelo y podría observar todos los resultados posibles al mismo tiempo. Sería capaz de resolver problemas en minutos que, de otro modo, llevarían miles de años.
El año pasado, La primera empresa de computación cuántica de Australia, respaldada por un consorcio único de gobiernos, industria y universidades - se estableció para comercializar la investigación líder mundial de CQC2T.
Operando desde nuevos laboratorios en UNSW, Silicon Quantum Computing Pty Ltd tiene el objetivo de producir un dispositivo de demostración de 10 qubit en silicio para 2022, como el precursor de una computadora cuántica basada en silicio.
El gobierno australiano ha invertido $ 26 millones en la empresa de $ 83 millones a través de su Agenda Nacional de Innovación y Ciencia, con $ 25 millones adicionales provenientes de UNSW, $ 14 millones del Commonwealth Bank of Australia, $ 10 millones de Telstra y $ 8,7 millones del gobierno de Nueva Gales del Sur.
Se estima que las industrias que comprenden aproximadamente el 40% de la economía actual de Australia podrían verse afectadas significativamente por la computación cuántica. Las posibles aplicaciones incluyen el diseño de software, aprendizaje automático, programación y planificación logística, análisis financiero, modelado del mercado de valores, verificación de software y hardware, modelado climático, diseño y prueba rápidos de fármacos, y detección y prevención tempranas de enfermedades.
