Det unika australiska tillvägagångssättet att skapa kvantbitar från exakt placerade individuella atomer i kisel skördar stora belöningar, med UNSW Sydney-ledda forskare som för första gången visar att de kan få två av dessa atomqubits att "prata" med varandra.

Teamet - ledd av UNSW professor Michelle Simmons, Direktör för Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology, eller CQC2T - är den enda gruppen i världen som har förmågan att se den exakta positionen för sina qubits i fast tillstånd.

Simmons team skapar atom qubits genom att exakt placera och inkapsla enskilda fosforatomer i ett kiselchip. Information lagras om kvantspinnet hos en enda fosforelektron.

Teamets senaste framsteg - den första observation av kontrollerbara interaktioner mellan två av dessa qubits - publiceras i tidskriften Naturkommunikation . Det följer två andra nyligen genombrott med denna unika metod för att bygga en kvantdator.

Genom att optimera deras nanotillverkningsprocess, Simmons team har också nyligen skapat kvantkretsar med det lägsta registrerade elektriska bruset från någon halvledarenhet.

Och de har skapat en elektron -spin -qubit med den längsta livslängd som någonsin rapporterats i en nano -elektrisk enhet - 30 sekunder.

"De kombinerade resultaten från dessa tre forskningsartiklar bekräftar de extremt lovande utsikterna för att bygga multi-qubit-system med hjälp av våra atomqubits, säger Simmons.

Årets australiensare 2018 inspirerad av Richard Feynman

Simmons, som utsågs till Årets australiensare 2018 i januari för sin banbrytande kvantberäkningsforskning, säger att hennes teams banbrytande arbete är inspirerat av den sena fysikern Richard Feynman.

"Feynman sa:'Vad jag inte kan skapa, Jag förstår inte'. Vi genomför den strategin systematiskt, från botten och upp, atom för atom, säger Simmons.

"Genom att placera våra fosforatomer i kislet för att göra en qubit, vi har visat att vi kan använda en skanningssond för att direkt mäta atomens vågfunktion, som talar om för oss dess exakta fysiska plats i chipet. Vi är den enda gruppen i världen som faktiskt kan se var våra qubits är.

"Vår konkurrensfördel är att vi kan sätta vår högkvalitativa qubit där vi vill ha den i chippet, se vad vi har gjort, och sedan mäta hur det beter sig. Vi kan lägga till ytterligare en qubit i närheten och se hur de två vågfunktionerna samverkar. Och då kan vi börja generera kopior av de enheter vi har skapat, " hon säger.

För den nya studien, laget placerade två qubits - en av två fosforatomer och en av en enda fosforatom - 16 nanometer isär i ett kiselchip.

"Använda elektroder som var mönstrade på chipet med liknande precisionstekniker, vi kunde kontrollera interaktionerna mellan dessa två angränsande qubits, så deras elektroners kvantspinn blev korrelerade, "säger medförfattare för studien, Dr Matthew Broome, tidigare av UNSW och nu vid Köpenhamns universitet.

"Det var fascinerande att titta på. När snurrningen på en elektron pekar uppåt, de andra pekar ner, och vice versa.

"Detta är en viktig milstolpe för tekniken. Den här typen av spinnkorrelationer är föregångaren till de intrasslade tillstånden som är nödvändiga för att en kvantdator ska fungera och utföra komplexa beräkningar, " han säger.

Studera medförfattare, UNSW:s Sam Gorman, säger:"Teori hade förutspått att de två qubitsna skulle behöva placeras 20 nanometer från varandra för att se denna korrelationseffekt. Men vi fann att det förekommer bara med 16 nanometer från varandra.

"I vår kvantvärld, det är en väldigt stor skillnad, "säger han." Det är också lysande, som experimentist, att utmana teorin."

Leder loppet om att bygga en kvantdator i kisel

UNSW -forskare och ingenjörer vid CQC2T leder världen i loppet för att bygga en kvantdator i kisel. De utvecklar parallella patenterade tillvägagångssätt med hjälp av enkelatom och kvantprick qubits.

"Vår förhoppning är att båda metoderna kommer att fungera bra. Det skulle vara fantastiskt för Australien, säger Simmons.

UNSW-teamet har valt att arbeta i kisel eftersom det är bland de mest stabila och lätttillverkade miljöerna för värd för qubits, och dess långa historia av användning inom den konventionella datorindustrin innebär att det finns en stor mängd kunskap om detta material.

Under 2012, Simmons team, som använder skanningstunnelmikroskop för att placera de enskilda fosforatomerna i kisel och sedan molekylär stråleepitaxi för att inkapsla dem, skapade världens smalaste ledningar, bara fyra fosforatomer över och en atom hög.

I en nyligen publicerad tidning i tidningen Nano Letters, de använde liknande tekniker för atomskala för att producera kretsar som är ca 2-10 nanometer breda och visade att den hade det lägsta inspelade elektriska bruset från någon halvledarkrets. Detta arbete utfördes tillsammans med Saquib Shamim och Arindam Ghosh från Indian Institute of Science.

"Det är allmänt accepterat att elektriskt brus från kretsen som styr qubits kommer att vara en kritisk faktor för att begränsa deras prestanda, säger Simmons.

"Våra resultat bekräftar att kisel är ett optimalt val, eftersom dess användning undviker problemet som de flesta andra enheter står inför med en blandning av olika material, inklusive dielektrikum och ytmetaller, som kan vara källan till, och förstärka, elektriskt brus.

"Med vår precisionsstrategi har vi uppnått det vi tror är den lägsta elektriska bullernivån som är möjlig för en elektronisk nano -enhet i kisel - tre storleksordningar lägre än att ens använda kolnanorör, " hon säger.

I en annan nyligen publicerad artikel i Science Advances, Simmons team visade att deras precision qubits i kisel kunde konstrueras så att elektronspinnet hade en rekordlivslängd på 30 sekunder - upp till 16 gånger längre än tidigare rapporterat. Den första författaren, Dr Thomas Watson, var på UNSW och tog sin doktorsexamen och är nu vid Delft University of Technology.

"Detta är ett hett ämne för forskning, "säger Simmons." Elektronens spinns livstid - innan det börjar förfalla, till exempel, från snurra upp till snurra ner - är viktigt. Ju längre livslängd, ju längre vi kan lagra information i dess kvanttillstånd."

I samma papper, de visade att de här långa livstiderna tillät dem att läsa upp elektron -snurr på två qubits i följd med en noggrannhet på 99,8 procent för varje, vilket är den nivå som krävs för praktisk felkorrigering i en kvantprocessor.

Australiens första kvantdatorföretag

Istället för att utföra beräkningar efter varandra, som en vanlig dator, en kvantdator skulle fungera parallellt och kunna titta på alla möjliga utfall samtidigt. Det skulle kunna lösa problem på minuter som annars skulle ta tusentals år.

Förra året, Australiens första kvantdatorföretag - med stöd av ett unikt konsortium av regeringar, industri och universitet - grundades för att kommersialisera CQC2T:s världsledande forskning.

Drift från nya laboratorier vid UNSW, Silicon Quantum Computing Pty Ltd har som mål att producera en 10-qubit demonstrationsenhet i kisel till 2022, som föregångare till en kiselbaserad kvantdator.

Den australiensiska regeringen har investerat 26 miljoner dollar i satsningen på 83 miljoner dollar genom sin National Innovation and Science Agenda, med ytterligare 25 miljoner dollar från UNSW, 14 miljoner dollar från Commonwealth Bank of Australia, 10 miljoner dollar från Telstra och 8,7 miljoner dollar från NSW -regeringen.

Det uppskattas att industrier som utgör cirka 40 % av Australiens nuvarande ekonomi kan påverkas avsevärt av kvantberäkningar. Möjliga applikationer inkluderar mjukvarudesign, maskininlärning, schemaläggning och logistisk planering, finansiell analys, börsmodellering, verifiering av mjukvara och hårdvara, klimatmodellering, snabb läkemedelsdesign och testning, och tidig upptäckt och förebyggande av sjukdomar.