En grupp forskare under ledning av 2018 års australiensiska professor Michelle Simmons har uppnått den första två-qubit-porten mellan atomqubits i kisel-en viktig milstolpe i teamets strävan att bygga en kvantdator i atomskala. Den avgörande forskningen publicerades idag i världsberömd tidskrift Natur .

En tvåkvitgrind är den centrala byggstenen i någon kvantdator-och UNSW-teamets version av den är den snabbaste som någonsin har visats i kisel, slutföra en operation på 0,8 nanosekunder, vilket är ~ 200 gånger snabbare än andra befintliga spinnbaserade två-qubit grindar.

I Simmons gruppmetod, en två-qubit gate är en operation mellan två elektronspinn-jämförbar med den roll som klassiska logiska grindar spelar i konventionell elektronik. För första gången, laget kunde bygga en två-qubit port genom att placera två atom qubits närmare varandra än någonsin tidigare, och sedan-i realtid-kontrollerbart observera och mäta deras spinntillstånd.

Teamets unika tillvägagångssätt för kvantberäkning kräver inte bara placeringen av enskilda atomqubits i kisel utan alla tillhörande kretsar för att initiera, kontrollera och läsa upp qubiterna på nanoskala-ett koncept som kräver så utsökt precision som man länge trodde var omöjligt. Men med denna stora milstolpe, teamet är nu positionerat för att översätta sin teknik till skalbara processorer.

Professor Simmons, Direktör för Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) och grundare av Silicon Quantum Computing Pty Ltd., säger att det senaste decenniet av tidigare resultat perfekt satte upp laget för att flytta gränserna för vad som anses vara "mänskligt möjligt".

"Atom qubits håller världsrekordet för de längsta sammanhållningstiderna för en qubit i kisel med de högsta trovärdigheterna, "säger hon." Med hjälp av vår unika tillverkningsteknik, vi har redan visat förmågan att läsa och initiera enstaka elektronspinn på atom qubits i kisel med mycket hög noggrannhet. Vi har också visat att våra kretsar i atomskala har det lägsta elektriska bruset från något system som ännu har utformats för att ansluta till en halvledarkvbit.

"Att optimera varje aspekt av enhetsdesignen med atomprecision har nu gjort det möjligt för oss att bygga en riktigt snabb, mycket exakt två-qubit grind, som är den grundläggande byggstenen för en skalbar, kiselbaserad kvantdator.

"Vi har verkligen visat att det är möjligt att kontrollera världen i atomskala - och att fördelarna med tillvägagångssättet är transformerande, inklusive den anmärkningsvärda hastighet med vilket vårt system fungerar. "

UNSW Science Dean, Professor Emma Johnston AO, säger detta nyckelpapper ytterligare visar hur banbrytande professor Simmons forskning är.

"Detta var en av Michelles teamets sista milstolpar för att visa att de faktiskt kan göra en kvantdator med atomqubits. Deras nästa stora mål är att bygga en 10-qubit integrerad kvantkrets-och vi hoppas att de når det inom 3-4 år."

Att komma upp och stänga med qubits-konstruera med en precision på bara tusen-miljondelar av en meter

Med hjälp av ett scanningstunnelmikroskop för precisionsplacering och inkapsling av fosforatomer i kisel, laget fick först räkna ut det optimala avståndet mellan två qubits för att möjliggöra den avgörande operationen.

"Vår tillverkningsteknik gör att vi kan placera qubits exakt där vi vill ha dem. Detta gör att vi kan konstruera vår två-qubit gate för att vara så snabb som möjligt, "säger medförfattare till studien Sam Gorman från CQC2T.

"Vi har inte bara fört qubiterna närmare varandra sedan vårt senaste genombrott, men vi har lärt oss att styra alla aspekter av enhetsdesignen med sub-nanometerprecision för att upprätthålla de höga trovärdigheterna. "

Observera och kontrollera qubit-interaktioner i realtid

Teamet kunde sedan mäta hur qubits-tillstånden utvecklades i realtid. Och, mest spännande, forskarna visade hur man styr interaktionsstyrkan mellan två elektroner på nano-andra tidsskalan.

"Viktigt, vi kunde föra qubitens elektroner närmare eller längre ifrån varandra, effektivt slå på och av interaktionen mellan dem, en förutsättning för en kvantport, "säger den andra huvudförfattaren Yu He.

"Den täta inneslutningen av qubitens elektroner, unikt för vårt tillvägagångssätt, och det inneboende låga bruset i vårt system gjorde det möjligt för oss att visa den snabbaste två qubit -porten i kisel hittills. "

"Kvantporten vi visade, den så kallade SWAP-grinden, är också idealisk för att skicka kvantinformation mellan qubits - och, i kombination med en enda qubit -grind, låter dig köra vilken kvantalgoritm som helst. "

Något med fysisk omöjlighet? Inte längre

Professor Simmons säger att detta är kulmen på två decenniers arbete.

"Det här är ett massivt framsteg:att kunna styra naturen på dess allra minsta nivå så att vi kan skapa interaktioner mellan två atomer men också individuellt prata med varandra utan att störa den andra är otroligt. Många trodde att detta inte skulle vara möjlig, " hon säger.

"Löftet har alltid varit att om vi kunde styra qubit -världen i denna skala, de skulle vara snabba, och det är de säkert! "