Un resultado récord mundial en la reducción de errores en semiconductores 'spin qubits', un tipo de bloque de construcción para computadoras cuánticas, se ha logrado utilizando el trabajo teórico de físicos cuánticos de la Universidad de Sydney Nano Institute y la Escuela de Física.

El resultado experimental de los ingenieros de la Universidad de Nueva Gales del Sur demostró tasas de error tan bajas como 0.043 por ciento, más bajo que cualquier otro spin qubit. El documento de investigación conjunto de los equipos de Sydney y UNSW se publicó esta semana en Electrónica de la naturaleza y es la historia de portada de la revista de abril.

"Es necesario reducir los errores en las computadoras cuánticas antes de que se puedan escalar a máquinas útiles, "dijo el profesor Stephen Bartlett, un autor correspondiente del artículo.

"Una vez que operan a escala, Las computadoras cuánticas podrían cumplir su gran promesa de resolver problemas más allá de la capacidad de incluso las supercomputadoras más grandes. Esto podría ayudar a la humanidad a resolver problemas de química, diseño e industria de fármacos ".

Hay muchos tipos de bits cuánticos, o qubits, que van desde los que utilizan iones atrapados, bucles o fotones superconductores. Un 'spin qubit' es un bit cuántico que codifica información basada en la dirección magnética cuantificada de un objeto cuántico, como un electrón.

Australia, y Sydney en particular, está emergiendo como líder mundial en tecnología cuántica. El reciente anuncio para financiar el establecimiento de una Sydney Quantum Academy, subraya la gran oportunidad en Australia para construir una economía cuántica basada en la concentración más grande del mundo de grupos de investigación cuántica aquí en Sydney.

No hay práctica sin teoría

Si bien gran parte del enfoque reciente en la computación cuántica se ha centrado en los avances en hardware, ninguno de estos avances ha sido posible sin el desarrollo de la teoría de la información cuántica.

El grupo de teoría cuántica de la Universidad de Sydney, dirigido por el profesor Stephen Bartlett y el profesor Steven Flammia, es una de las potencias mundiales de la teoría de la información cuántica, permitiendo que los equipos de ingeniería y experimentales de todo el mundo realicen los minuciosos avances físicos necesarios para garantizar que la computación cuántica se convierta en una realidad.

El trabajo del grupo de teoría cuántica de Sydney fue esencial para el resultado récord mundial publicado en Electrónica de la naturaleza .

El profesor Bartlett dijo:"Debido a que la tasa de error era tan pequeña, el equipo de la UNSW necesitaba algunos métodos bastante sofisticados para incluso poder detectar los errores.

"Con tasas de error tan bajas, necesitábamos ejecuciones de datos que duraran días y días solo para recopilar las estadísticas y mostrar el error ocasional ".

El profesor Bartlett dijo que una vez que se identificaron los errores, debían caracterizarse, eliminado y recaracterizado.

"El grupo de Steve Flammia es líder mundial en la teoría de la caracterización de errores, que se utilizó para lograr este resultado, " él dijo.

El grupo Flammia demostró recientemente por primera vez una mejora en las computadoras cuánticas utilizando códigos diseñados para detectar y descartar errores en las puertas lógicas. o interruptores, utilizando la computadora cuántica IBM Q.

Profesor Andrew Dzurak, quien lidera el equipo de investigación de la UNSW, dijo:"Ha sido invaluable trabajar con los profesores Bartlett y Flammia, y su equipo, para ayudarnos a comprender los tipos de errores que vemos en nuestros qubits de silicio-CMOS en UNSW.

"Nuestro principal experimentalista, Henry Yang, trabajó en estrecha colaboración con ellos para lograr esta notable fidelidad del 99,957 por ciento, mostrando que ahora tenemos el qubit de semiconductores más preciso del mundo ".

El profesor Bartlett dijo que el récord mundial de Henry Yang probablemente se mantendrá por mucho tiempo. Dijo que ahora el equipo de la UNSW y otros trabajarán en la construcción de matrices de dos qubit y de mayor nivel en silicio-CMOS.

Las computadoras cuánticas en pleno funcionamiento necesitarán millones, si no miles de millones, de qubits para operar. Diseñar qubits de bajo error ahora es un paso vital para escalar a tales dispositivos.

El profesor Raymond Laflamme es presidente de Información Cuántica en la Universidad de Waterloo en Canadá y no participó en el estudio. Dijo:"A medida que los procesadores cuánticos se vuelven más comunes, El grupo Bartlett de la Universidad de Sydney ha desarrollado una herramienta importante para evaluarlos. Nos permite caracterizar la precisión de las puertas cuánticas y brinda a los físicos la capacidad de distinguir entre errores incoherentes y coherentes que conducen a un control sin precedentes de los qubits ".

Impacto global

El resultado conjunto de la Universidad de Sydney y la UNSW se produce poco después de un artículo del mismo equipo de teoría cuántica con experimentadores del Instituto Niels Bohr en Copenhague.

Ese resultado, publicado en Comunicaciones de la naturaleza , permite el intercambio distante de información entre electrones a través de un mediador, mejorando las perspectivas de una arquitectura ampliada en ordenadores cuánticos spin-qubit.

El resultado fue significativo porque permite que la distancia entre puntos cuánticos sea lo suficientemente grande para la integración en microelectrónica más tradicional. El logro fue un esfuerzo conjunto de físicos en Copenhague, Sydney y Purdue en Estados Unidos.

El profesor Bartlett dijo:"El problema principal es que para lograr que los puntos cuánticos interactúen requiere que estén ridículamente cerca, a nanómetros de distancia. Pero a esta distancia interfieren entre sí, haciendo que el dispositivo sea demasiado difícil de sintonizar para realizar cálculos útiles ".

La solución fue permitir que los electrones entrelazados medien su información a través de un 'grupo' de electrones, alejándolos más.

Dijo:"Es como tener un autobús, un gran mediador que permite la interacción de giros distantes. Si puede permitir más interacciones de giro, entonces la arquitectura cuántica puede pasar a diseños bidimensionales ".

El profesor asociado Ferdinand Kuemmeth del Instituto Niels Bohr en Copenhague dijo:"Descubrimos que un gran, punto cuántico alargado entre los puntos de la izquierda y los puntos de la derecha, medió un intercambio coherente de estados de giro, en una milmillonésima de segundo, sin mover electrones fuera de sus puntos.

El profesor Bartlett dijo:"Lo que encuentro emocionante de este resultado como teórico, es que nos libera de la geometría restrictiva de un qubit que solo depende de sus vecinos más cercanos ".

Oficina de Compromiso Global

La historia de este experimento se remonta a una década a un programa de Actividad de Proyectos de Investigación Avanzada de Inteligencia de EE. UU. (IARPA) dirigido por el profesor Charlie Marcus, un coautor que estaba entonces en Harvard antes de mudarse a Copenhague.

El profesor Bartlett dijo:"Todos fuimos a Copenhague para un taller en 2018, en parte para trabajar en este problema. Thomas Evans, un coautor del artículo, permaneció allí durante dos meses con el apoyo de la Oficina de Compromiso Global. La OGE también apoyó al Dr. Arne Grimsmo, que estaba trabajando en otro proyecto ".

Dijo que el experimento y nuestras discusiones estaban muy avanzados cuando obtuvimos los fondos de la OGE. Pero fue este taller y la financiación lo que permitió al equipo de Sydney ir a Copenhague para planificar la próxima generación de experimentos basados ​​en este resultado.

El profesor Bartlett dijo:"Este método nos permite separar los puntos cuánticos un poco más, lo que facilita su ajuste por separado y hace que funcionen juntos".

"Ahora que tenemos este mediador, podemos empezar a planificar una matriz bidimensional de estos pares de puntos cuánticos ".