Ett världsrekordresultat i att minska fel i halvledarens "spin qubits", en typ av byggsten för kvantdatorer, har uppnåtts med hjälp av kvantfysikers teoretiska arbete vid University of Sydney Nano Institute and School of Physics.

Det experimentella resultatet från University of New South Wales ingenjörer visade fel på så låga som 0,043 procent, lägre än någon annan spin qubit. Den gemensamma forskningsrapporten från Sydney och UNSW -team publicerades den här veckan i Nature Electronics och är tidskriftens omslag för april.

"Minskning av fel i kvantdatorer behövs innan de kan skalas upp till användbara maskiner, "sade professor Stephen Bartlett, en motsvarande författare till tidningen.

"När de fungerar i stor skala, kvantdatorer kunde leverera sitt stora löfte att lösa problem utöver kapaciteten hos även de största superdatorerna. Detta kan hjälpa mänskligheten att lösa problem inom kemi, läkemedelsdesign och industri. "

Det finns många typer av kvantbitar, eller qubits, allt från dem som använder instängda joner, supraledande slingor eller fotoner. En 'spin qubit' är en kvantbit som kodar information baserat på den kvantiserade magnetiska riktningen för ett kvanteobjekt, som en elektron.

Australien, och i synnerhet Sydney, växer fram som en global ledare inom kvantteknik. Det senaste tillkännagivandet för att finansiera inrättandet av en Sydney Quantum Academy, understryker den stora möjligheten i Australien att bygga en kvantekonomi baserad på världens största koncentration av kvantforskningsgrupper här i Sydney.

Ingen övning utan teori

Medan mycket av det senaste fokuset inom kvantberäkning har varit på framsteg inom hårdvara, ingen av dessa framsteg har varit möjliga utan utveckling av kvantinformationsteori.

The University of Sydney quantum theory group, ledd av professor Stephen Bartlett och professor Steven Flammia, är en av världens kraftverk inom kvantinformationsteori, möjliggör teknik och experimentella team över hela världen gör de noggranna fysiska framsteg som krävs för att kvantberäkningen ska bli verklighet.

Kvantteorigruppens arbete i Sydney var avgörande för det världsrekordresultat som publicerades i Nature Electronics .

Professor Bartlett sa:"Eftersom felprocenten var så liten, UNSW -teamet behövde några ganska sofistikerade metoder för att ens kunna upptäcka felen.

"Med så låga felfrekvenser, vi behövde datakörningar som gick i dagar och dagar bara för att samla in statistiken för att visa ett och annat fel. "

Professor Bartlett sa att när felen identifierats måste de karakteriseras, elimineras och omkarakteriseras.

"Steve Flammias grupp är världsledande inom teorin om felkarakterisering, som användes för att uppnå detta resultat, " han sa.

Flammia -gruppen visade nyligen för första gången en förbättring av kvantdatorer med hjälp av koder för att upptäcka och kassera fel i logikportarna, eller växlar, med hjälp av kvantdatorn IBM Q.

Professor Andrew Dzurak, som leder UNSW -forskargruppen, sa:"Det har varit ovärderligt att arbeta med professorerna Bartlett och Flammia, och deras team, för att hjälpa oss att förstå vilka typer av fel vi ser i våra kisel-CMOS qubits på UNSW.

"Vår ledande experimentist, Henry Yang, arbetade nära med dem för att uppnå denna anmärkningsvärda trohet på 99,957 procent, visar att vi nu har den mest exakta halvledarkvbit i världen. "

Professor Bartlett sa att Henry Yangs världsrekordprestation sannolikt kommer att stå länge. Han sa nu att UNSW-teamet och andra kommer att arbeta med att bygga upp mot två qubit och högre nivåer i kisel-CMOS.

Fullt fungerande kvantdatorer kommer att behöva miljoner, om inte miljarder, av qubits att arbeta. Att designa qubits med låg fel nu är ett viktigt steg för att skala upp till sådana enheter.

Professor Raymond Laflamme är ordförande i kvantinformation vid University of Waterloo i Kanada och deltog inte i studien. Han sa:"När kvantprocessorer blir vanligare, ett viktigt verktyg för att bedöma dem har utvecklats av Bartlett -gruppen vid University of Sydney. Det tillåter oss att karaktärisera kvantportarnas precision och ger fysiker förmågan att skilja mellan osammanhängande och sammanhängande fel som leder till en oöverträffad kontroll över qubiterna. "

Global påverkan

Det gemensamma University of Sydney-UNSW-resultatet kommer strax efter en uppsats av samma kvantteoriteam med experimentalister vid Niels Bohr Institute i Köpenhamn.

Det resultatet, publicerad i Naturkommunikation , möjliggör fjärrutbyte av information mellan elektroner via en medlare, förbättra möjligheterna för en skalad arkitektur i kvantdatorer med spinnkvbit.

Resultatet var betydande eftersom det gör att avståndet mellan kvantpunkter kan vara tillräckligt stort för integration i mer traditionell mikroelektronik. Prestationen var ett gemensamt arbete av fysiker i Köpenhamn, Sydney och Purdue i USA.

Professor Bartlett sa:"Huvudproblemet är att för att få kvantprickarna att interagera krävs att de är löjligt nära - nanometer isär. Men på detta avstånd stör de varandra, vilket gör enheten för svår att ställa in för att utföra användbara beräkningar. "

Lösningen var att låta intrasslade elektroner förmedla sin information via en "pool" av elektroner, flytta dem längre isär.

Han sa:"Det är ungefär som att ha en buss - en stor medlare som möjliggör interaktion mellan avlägsna snurr. Om du kan möjliggöra fler snurrinteraktioner, då kan kvantarkitekturen flytta till tvådimensionella layouter. "

Docent Ferdinand Kuemmeth från Niels Bohr -institutet i Köpenhamn sa:"Vi upptäckte att en stor, långsträckt kvantpunkt mellan vänster och höger prick, förmedlade en sammanhängande byte av spinntillstånd, inom en miljarddels sekund, utan att någonsin flytta elektroner ur sina prickar.

Professor Bartlett sa:"Vad jag tycker är spännande med detta resultat som teoretiker, är att den befriar oss från den begränsande geometrin hos en qubit som bara förlitar sig på dess närmaste grannar. "

Office of Global Engagement

Experimentets historia går ett decennium tillbaka till ett program för amerikansk intelligens för avancerade forskningsprojekt (IARPA) som leds av professor Charlie Marcus, en medförfattare som då var på Harvard innan han flyttade till Köpenhamn.

Professor Bartlett sa:"Vi åkte alla till Köpenhamn för en workshop 2018 för att delvis arbeta med detta problem. Thomas Evans, medförfattare till tidningen, stannade där i två månader med stöd av Office for Global Engagement. OGE stödde också Dr. Arne Grimsmo, som arbetade med ett annat projekt. "

Han sa att experimentet och våra diskussioner var långt framme när vi fick OGE -finansiering. Men det var denna workshop och finansieringen för den som gjorde att Sydney -teamet kunde åka till Köpenhamn för att planera nästa generations experiment baserat på detta resultat.

Professor Bartlett sa:"Den här metoden gör att vi kan separera kvantprickarna lite längre, vilket gör dem lättare att ställa in separat och få dem att arbeta tillsammans.

"Nu när vi har denna medlare, vi kan börja planera för en tvådimensionell uppsättning av dessa par kvantprickar. "