Impresión artística de un átomo qubit en silicio protegido del ruido de carga causado por imperfecciones en el entorno material. Crédito:Tony Melov
Los investigadores de UNSW Sydney han demostrado el nivel de ruido más bajo registrado para un bit cuántico de semiconductor, o qubit. La investigación fue publicada en Materiales avanzados .
Para que las computadoras cuánticas realicen cálculos útiles, La información cuántica debe tener una precisión cercana al 100 por ciento. El ruido de carga, causado por imperfecciones en el entorno material que aloja qubits, interfiere con la información cuántica codificada en qubits, impactando la exactitud de la información.
"El nivel de ruido de carga en los qubits de semiconductores ha sido un obstáculo crítico para lograr los niveles de precisión que necesitamos para las computadoras cuánticas con corrección de errores a gran escala, "dice el autor principal Ludwik Kranz, un doctorado estudiante en el Centro de Computación Cuántica y Tecnología de la Comunicación de la UNSW (CQC 2 T) trabajar con la empresa spin-off del Centro, Silicon Quantum Computing (SQC).
"Nuestra investigación ha demostrado que podemos reducir el ruido de carga a un nivel significativamente bajo, minimizando el impacto que tiene en nuestros qubits, "dice Kranz.
"Al optimizar el proceso de fabricación del chip de silicio, logramos un nivel de ruido 10 veces menor que el registrado anteriormente. Este es el ruido de carga más bajo registrado de cualquier qubit de semiconductor ".
Creando qubits silenciosos
Los qubits hechos de electrones alojados en qubits de átomos en silicio, el enfoque que el profesor Simmons ha defendido desde 2000, son una plataforma prometedora para computadoras cuánticas a gran escala.
Sin embargo, qubits alojados en cualquier plataforma de semiconductores como silicio, son sensibles al ruido de carga.
La investigación del equipo reveló que la presencia de defectos dentro del chip de silicio o en la interfaz con la superficie contribuían significativamente al ruido de carga.
"Esto fue una sorpresa, como hemos pasado mucho tiempo optimizando la calidad de nuestro chip de silicio, pero esto demostró que incluso unas pocas impurezas cercanas pueden afectar el ruido, "dice Kranz.
Al reducir las impurezas en el chip de silicio y colocar los átomos lejos de la superficie y las interfaces donde se origina la mayor parte del ruido, el equipo pudo producir el resultado récord.
"Nuestros resultados continúan mostrando que el silicio es un material excelente para alojar qubits. Con nuestra capacidad para diseñar todos los aspectos del entorno de qubits, Estamos probando sistemáticamente que los qubits de átomos en silicio son reproducibles, rápido y estable, "dice la profesora Michelle Simmons, Director CQC 2 T.
"Nuestro próximo desafío es pasar a Si-28 cristalino isotópicamente puro para capitalizar los largos tiempos de coherencia ya demostrados en este sistema".
El autor principal, Ludwik Kranz, con un microscopio de túnel de barrido utilizado para colocar y encapsular con precisión átomos de fósforo en silicio Crédito:CQC2T
Tiempo lo es todo
Usando el chip de silicio recién fabricado, Luego, el equipo realizó una serie de experimentos para caracterizar el ruido de carga, con resultados imprevistos.
"Medimos el ruido de carga utilizando un transistor de un solo electrón y un par de qubit acoplados por intercambio que, en conjunto, proporcionan un espectro de ruido de carga constante en un amplio rango de frecuencias, "dice CQC 2 T coautor, el Dr. Sam Gorman.
Las mediciones revelaron un factor clave que afecta el ruido de carga:el tiempo.
"A partir del espectro de ruido que medimos, sabemos que cuanto más largo sea el cálculo, más ruido afectará a nuestro sistema, "dice el Dr. Gorman.
"Esto tiene importantes implicaciones para el diseño de dispositivos futuros, con operaciones cuánticas que deben completarse en períodos de tiempo excepcionalmente cortos para que el ruido de carga no empeore con el tiempo, agregando errores al cálculo ".
Trabajando sistemáticamente hacia una computadora cuántica de silicio disponible comercialmente
Para realizar los cálculos sin errores necesarios para la computación cuántica a gran escala, una puerta de dos qubits, el bloque de construcción central de cualquier computadora cuántica, necesita una fidelidad o precisión de más del 99%. Para alcanzar este umbral de fidelidad, las operaciones cuánticas deben ser estables y rápidas.
En un artículo reciente, publicado en Revisión física X - el grupo Simmons, utilizando su capacidad de precisión atómica, demostró la capacidad de leer los qubits en 1 microsegundo.
"Esta investigación, combinada con nuestros resultados de ruido de carga más bajo, muestra que es posible lograr una fidelidad del 99,99% en qubits de átomos en silicio, "dice el profesor Simmons, quien también es el fundador de SQC.
"Nuestro equipo ahora está trabajando para ofrecer todos estos resultados clave en un solo dispositivo, rápido, estable, alta fidelidad y con tiempos de coherencia prolongados, dando un paso importante hacia un procesador cuántico a gran escala en silicio ".
El profesor Simmons está trabajando con SQC para construir el primer útil, Computadora cuántica comercial en silicio. Co-ubicado con CQC 2 T en el campus de UNSW Sydney, El objetivo de SQC es demostrar la capacidad requerida para producir de manera confiable un prototipo de procesador cuántico integrado de 10 qubit para 2023.
"Los resultados de nuestro equipo confirman aún más que nuestro enfoque único, de posicionar con precisión átomos de fósforo en el silicio, es una perspectiva extremadamente prometedora para construir el error corregido, arquitectura a gran escala requerida para la comercialización de computadoras cuánticas de silicio, "Dice el profesor Simmons.
