UNSW-forskare vid Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) har för första gången visat att de kan bygga atomära precisionsqubits i en 3-D-enhet – ytterligare ett stort steg mot en universell kvantdator.

Teamet av forskare, ledd av 2018 års australiensare och chef för CQC2T professor Michelle Simmons, har visat att de kan utöka sin atomära qubit-tillverkningsteknik till flera lager av en kiselkristall – och uppnå en kritisk komponent i 3D-chiparkitekturen som de introducerade för världen 2015. Denna nya forskning publicerades idag i Naturens nanoteknik .

Gruppen är den första som demonstrerar genomförbarheten av en arkitektur som använder qubits i atomskala anpassade till kontrolllinjer – som i huvudsak är mycket smala ledningar – inuti en 3D-design.

Vad mer, teamet kunde justera de olika lagren i sin 3D-enhet med nanometerprecision – och visade att de kunde läsa ut qubit-tillstånd enstaka skott, dvs inom en enda mätning, med mycket hög trohet.

"Denna 3D-enhetsarkitektur är ett betydande framsteg för atomära qubits i kisel, ", säger professor Simmons. "För att ständigt kunna korrigera för fel i kvantberäkningar – en viktig milstolpe inom vårt område – måste du kunna kontrollera många kvantbitar parallellt.

"Det enda sättet att göra detta är att använda en 3D-arkitektur, så under 2015 utvecklade och patenterade vi en vertikal kors och tvärs-arkitektur. Dock, det fanns fortfarande en rad utmaningar relaterade till tillverkningen av denna flerskiktiga enhet. Med detta resultat har vi nu visat att det är möjligt att konstruera vårt tillvägagångssätt i 3D på det sätt som vi föreställde oss för några år sedan."

I det här pappret, teamet har demonstrerat hur man bygger ett andra kontrollplan eller -lager ovanpå det första lagret av qubits.

"Det är en mycket komplicerad process, men i mycket enkla ordalag, vi byggde det första planet, och optimerade sedan en teknik för att växa det andra lagret utan att påverka strukturerna i det första lagret, " förklarar CQC2T-forskaren och medförfattaren, Dr Joris Keizer.

"Förr, kritiker skulle säga att det inte är möjligt eftersom ytan på det andra lagret blir väldigt grov, och du skulle inte längre kunna använda vår precisionsteknik, men i det här pappret, vi har visat att vi kan göra det, mot förväntningarna."

Teamet visade också att de sedan kan anpassa dessa flera lager med nanometerprecision.

"Om du skriver något på det första kiselskiktet och sedan lägger ett kiselskikt ovanpå, du måste fortfarande identifiera din plats för att justera komponenter på båda lagren. Vi har visat en teknik som kan uppnå anpassning inom under 5 nanometer, vilket är ganska ovanligt, " säger Dr Keizer.

Slutligen, forskarna kunde mäta qubit-utgången från 3-D-enheten med vad som kallas single shot—dvs. med en enda, noggrann mätning, snarare än att behöva förlita sig på ett genomsnitt av miljontals experiment. "Detta kommer att ytterligare hjälpa oss att skala upp snabbare, " förklarar Dr Keizer.

Mot kommersialisering

Professor Simmons säger att denna forskning är en viktig milstolpe på området.

"Vi arbetar systematiskt mot en storskalig arkitektur som kommer att leda oss till en eventuell kommersialisering av tekniken.

"Detta är en viktig utveckling inom området kvantberäkning, men det är också ganska spännande för SQC, " säger professor Simmons, som också är grundare och styrelseledamot för SQC.

Sedan maj 2017, Australiens första kvantdatorföretag, Silicon Quantum Computing Pty Limited (SQC), har arbetat med att skapa och kommersialisera en kvantdator baserad på en svit av immateriella rättigheter som utvecklats på CQC2T och dess egen proprietära immateriella rättigheter.

"Medan vi fortfarande är minst ett decennium borta från en storskalig kvantdator, CQC2T:s arbete ligger fortfarande i framkant när det gäller innovation på detta område. Konkreta resultat som dessa bekräftar vår starka ställning internationellt, " avslutar hon.