För första gången någonsin, forskare har mätt troheten - det vill säga noggrannheten-för två-qubit logiska operationer i kisel, med mycket lovande resultat som gör det möjligt att skala upp till en kvantprocessor i full skala.

Forskningen, utförd av professor Andrew Dzuraks team inom UNSW Engineering, publicerades idag i den världsberömda tidskriften Natur .

Experimenten utfördes av Wister Huang, en sista års doktorsexamen student i elektroteknik, och Dr Henry Yang, en senior forskare vid UNSW.

"Alla kvantberäkningar kan bestå av en-qubit-operationer och två-qubit-operationer-de är de centrala byggstenarna för kvantberäkning, säger professor Dzurak.

"När du väl har de, du kan utföra vilken beräkning du vill - men noggrannheten för båda operationerna måste vara mycket hög. "

År 2015 var Dzuraks team det första som byggde en kvantlogikport i kisel, att göra beräkningar mellan två qubits av information möjlig - och därigenom rensa ett avgörande hinder för att göra kvantdatorer av kisel till verklighet.

Ett antal grupper runt om i världen har sedan dess visat två-qubit portar i kisel-men fram till detta landmärkespapper idag, den sanna noggrannheten hos en sådan tvåkvitgrind var okänd.

Noggrannhet avgörande för kvantframgång

"Fidelity är en kritisk parameter som avgör hur livskraftig en qubit -teknik är - du kan bara utnyttja den enorma kraften i kvantberäkning om qubit -operationerna är nära perfekta, med endast små fel tillåtna, "Dr Yang säger.

I den här studien, laget implementerade och utförde Clifford-baserade fidelity benchmarking-en teknik som kan bedöma qubit-noggrannhet på alla teknikplattformar-vilket visar en genomsnittlig två-qubit gate-trohet på 98%.

"Vi uppnådde en så hög trohet genom att karakterisera och mildra primära felkällor, vilket förbättrar gate-trovärdigheter till den punkt där randomiserade benchmarking-sekvenser av betydande längd-mer än 50 gate-operationer-kan utföras på vår två-qubit-enhet, säger Huang, huvudförfattaren på tidningen.

Kvantdatorer kommer att ha ett brett utbud av viktiga applikationer i framtiden tack vare deras förmåga att utföra mycket mer komplexa beräkningar med mycket högre hastigheter, inklusive att lösa problem som helt enkelt ligger utanför dagens dators förmåga.

"Men för de flesta av de viktiga tillämpningarna, miljontals qubits kommer att behövas, och du kommer att behöva korrigera kvantfel, även när de är små "Säger professor Dzurak.

"För att felkorrigering ska vara möjlig, qubitsna själva måste vara mycket exakta i första hand - så det är avgörande att bedöma deras trohet. "

"Ju mer exakt dina qubits är, ju färre du behöver - och därför ju tidigare kan vi öka konstruktionen och tillverkningen för att förverkliga en kvantdator i full skala. "

Kisel bekräftas som vägen att gå

Forskarna säger att studien är ytterligare ett bevis på att kisel som en teknikplattform är idealisk för att skala upp till det stora antal qubits som behövs för universell kvantberäkning. Med tanke på att kisel har varit kärnan i den globala datorindustrin i nästan 60 år, dess egenskaper är redan väl förstådda och befintliga kiselchip -produktionsanläggningar kan enkelt anpassa sig till tekniken.

"Om vårt trovärdighetsvärde hade varit för lågt, det skulle ha inneburit allvarliga problem för framtiden för kvantberäkning av kisel. Det faktum att det är nära 99% sätter det i den bollplan vi behöver, och det finns utmärkta förutsättningar för ytterligare förbättringar. Våra resultat visar omedelbart, som vi förutspådde, att kisel är en livskraftig plattform för kvantberäkning i full skala, "Säger professor Dzurak.

"Vi tror att vi kommer att uppnå betydligt högre trovärdigheter inom en snar framtid, öppna vägen till full skala, fel-tolerant kvantberäkning. Vi är nu på gränsen till en tvåkvitbitars noggrannhet som är tillräckligt hög för kvantfelkorrigering. "

I en annan tidning - nyligen publicerad i Nature Electronics och med på omslaget - på vilket Dr. Yang är huvudförfattare, samma lag uppnådde också rekordet för världens mest exakta 1-qubit gate i en kiselkvantpunkt, med en anmärkningsvärd trohet på 99,96%.

"Förutom de naturliga fördelarna med kisel qubits, en viktig anledning till att vi har kunnat uppnå så imponerande resultat är på grund av det fantastiska team vi har här på UNSW. Min student Wister och Dr Yang är båda otroligt begåvade. De uppfattade personligen de komplexa protokoll som krävs för detta benchmarking -experiment, säger professor Dzurak.

Andra författare om dagens Natur papper är UNSW -forskare Tuomo Tanttu, Ross Leon, Fay Hudson, Andrea Morello och Arne Laucht, liksom tidigare Dzurak -teammedlemmar Kok Wai Chan, Bas Hensen, Michael Fogarty och Jason Hwang, medan professor Kohei Itoh från Japans Keio -universitet tillhandahåller isotopiskt berikade kiselskivor för projektet.

UNSW dekanus för teknik, Professor Mark Hoffman, säger genombrottet är ännu ett bevis på att detta världsledande team håller på att ta kvantberäkning över tröskeln från det teoretiska till det verkliga.

"Quantum computing är detta århundradets rymdkapplöpning - och Sydney leder laddningen, Säger professor Hoffman.

"Denna milstolpe är ytterligare ett steg mot att förverkliga en storskalig kvantdator-och det förstärker det faktum att kisel är ett extremt attraktivt tillvägagångssätt som vi tror kommer att få UNSW dit först."

Spin qubits baserade på kisel -CMOS -teknik - den specifika metoden som utvecklats av professor Dzuraks grupp - har stora löften för kvantberäkning på grund av deras långa sammanhållningstider och potentialen att utnyttja befintlig integrerad kretsteknik för att tillverka det stora antal qubits som behövs för praktiska tillämpningar.

Professor Dzurak leder ett projekt för att främja kisel CMOS qubit -teknik med Silicon Quantum Computing, Australiens första kvantdatorföretag.

"Vårt senaste resultat för oss närmare kommersialisering av denna teknik-min grupp handlar om att bygga ett kvantchip som kan användas för verkliga applikationer, "Säger professor Dzurak.

En kvantprocessor i full skala skulle ha stora tillämpningar inom ekonomin, säkerhets- och hälsovårdssektorer- det skulle hjälpa till att identifiera och utveckla nya läkemedel genom att kraftigt påskynda den datorstödda utformningen av läkemedelsföreningar, det kan bidra till att utveckla nya, lättare och starkare material som spänner över konsumentelektronik till flygplan, och snabbare informationssökning genom stora databaser.