Un grupo de científicos liderado por la profesora australiana del año 2018 Michelle Simmons ha logrado la primera puerta de dos qubits entre qubits de átomos en silicio, un hito importante en la búsqueda del equipo para construir una computadora cuántica a escala atómica. La pieza fundamental de la investigación se publicó hoy en una revista de renombre mundial. Naturaleza .

Una puerta de dos qubit es el bloque de construcción central de cualquier computadora cuántica, y la versión del equipo de la UNSW es ​​la más rápida que se haya demostrado en silicio. completando una operación en 0.8 nanosegundos, que es ~ 200 veces más rápido que otras puertas de dos qubit basadas en espines existentes.

En el enfoque de grupo de Simmons, una puerta de dos qubits es una operación entre dos espines de electrones, comparable al papel que juegan las puertas lógicas clásicas en la electrónica convencional. Por primera vez, el equipo pudo construir una puerta de dos qubits colocando dos qubits de átomos más juntos que nunca, y luego, en tiempo real, observar y medir de manera controlable sus estados de giro.

El enfoque único del equipo para la computación cuántica requiere no solo la colocación de qubits de átomos individuales en silicio, sino también todos los circuitos asociados para inicializar. controlar y leer los qubits a nanoescala, un concepto que requiere una precisión tan exquisita que durante mucho tiempo se pensó que era imposible. Pero con este importante hito, el equipo ahora está posicionado para traducir su tecnología en procesadores escalables.

Profesor Simmons, Director del Centro de Excelencia para Computación Cuántica y Tecnología de la Comunicación (CQC2T) y fundador de Silicon Quantum Computing Pty Ltd., dice que la última década de resultados previos preparó perfectamente al equipo para cambiar los límites de lo que se cree que es "humanamente posible".

"Los qubits de átomo tienen el récord mundial de tiempos de coherencia más largos de un qubit en silicio con la mayor fidelidad, ", dice." Con nuestras tecnologías de fabricación únicas, ya hemos demostrado la capacidad de leer e inicializar espines de un solo electrón en qubits de átomos en silicio con una precisión muy alta. También hemos demostrado que nuestro circuito de escala atómica tiene el ruido eléctrico más bajo de cualquier sistema hasta ahora diseñado para conectarse a un qubit semiconductor.

"La optimización de todos los aspectos del diseño del dispositivo con precisión atómica ahora nos ha permitido crear una puerta de dos qubit de alta precisión, que es el bloque de construcción fundamental de un escalable, Computadora cuántica basada en silicio.

"Realmente hemos demostrado que es posible controlar el mundo a escala atómica y que los beneficios del enfoque son transformadores. incluida la notable velocidad a la que funciona nuestro sistema ".

Decano de Ciencias de la UNSW, Profesora Emma Johnston AO, dice que este artículo clave muestra además cuán innovadora es la investigación del profesor Simmons.

"Este fue uno de los hitos finales del equipo de Michelle para demostrar que realmente pueden hacer una computadora cuántica usando qubits de átomos. Su próximo gran objetivo es construir un circuito integrado cuántico de 10 qubits, y esperamos que lo alcancen en 3-4 años".

Levantarse y acercarse con qubits:ingeniería con una precisión de solo mil millonésimas de metro

Usando un microscopio de barrido de efecto túnel para colocar con precisión y encapsular átomos de fósforo en silicio, el equipo primero tuvo que calcular la distancia óptima entre dos qubits para permitir la operación crucial.

"Nuestra técnica de fabricación nos permite colocar los qubits exactamente donde los queremos. Esto nos permite diseñar nuestra puerta de dos qubits para que sea lo más rápido posible, "dice el coautor principal del estudio, Sam Gorman, de CQC2T.

"No solo hemos acercado a los qubits desde nuestro último avance, pero hemos aprendido a controlar todos los aspectos del diseño del dispositivo con una precisión subnanométrica para mantener la alta fidelidad ".

Observando y controlando las interacciones de los qubit en tiempo real

Luego, el equipo pudo medir cómo evolucionaron los estados qubits en tiempo real. Y, lo más emocionante, los investigadores mostraron cómo controlar la fuerza de interacción entre dos electrones en la escala de tiempo de nano-segundos.

"En tono rimbombante, pudimos acercar o alejar los electrones del qubit, activar y desactivar de forma eficaz la interacción entre ellos, un requisito previo para una puerta cuántica, "dice el otro coautor principal, Yu He.

"El estrecho confinamiento de los electrones del qubit, único en nuestro enfoque, y el ruido inherentemente bajo en nuestro sistema nos permitió demostrar la puerta de dos qubit más rápida en silicio hasta la fecha ".

"La puerta cuántica que demostramos, la llamada puerta SWAP, también es ideal para transportar información cuántica entre qubits y, cuando se combina con una sola puerta de qubit, le permite ejecutar cualquier algoritmo cuántico ".

¿Algo de imposibilidad física? Ya no

El profesor Simmons dice que esta es la culminación de dos décadas de trabajo.

"Este es un avance enorme:poder controlar la naturaleza en su nivel más pequeño para que podamos crear interacciones entre dos átomos, pero también hablar individualmente con cada uno sin molestar al otro es increíble. Mucha gente pensó que esto no sería posible". posible, " ella dice.

"La promesa siempre ha sido que si pudiéramos controlar el mundo qubit a esta escala, Serian rapidos ¡y seguro que lo son! "