Forskare vid UNSW Sydney har visat den lägsta brusnivån någonsin för en halvledarkvantbit, eller qubit. Forskningen publicerades i Avancerade material .

För att kvantdatorer ska kunna utföra användbara beräkningar, kvantinformation måste vara nära 100 procent korrekt. Laddningsbrus – orsakat av brister i den materiella miljön som är värd för qubits – stör kvantinformation kodad på qubits, påverka informationens riktighet.

"Nivån av laddningsbrus i halvledarkvantbitar har varit ett kritiskt hinder för att uppnå de noggrannhetsnivåer vi behöver för storskaliga felkorrigerade kvantdatorer, " säger huvudförfattaren Ludwik Kranz, en Ph.D. student vid UNSW:s Center for Quantum Computation and Communication Technology (CQC ² T) att arbeta med centrets avknoppningsföretag Silicon Quantum Computing (SQC).

"Vår forskning har visat att vi kan minska laddningsljudet till en avsevärt låg nivå, minimera effekten det har på våra qubits, säger Kranz.

"Genom att optimera tillverkningsprocessen av kiselchipet, vi uppnådde en ljudnivå 10 gånger lägre än vad som tidigare registrerats. Detta är det lägsta registrerade laddningsbruset av någon halvledar-qubit."

Skapa tysta qubits

Qubits gjorda av elektroner som finns på atom-qubits i kisel – det tillvägagångssätt som Prof. Simmons har förespråkat sedan 2000 – är en lovande plattform för storskaliga kvantdatorer.

Dock, qubits som finns i vilken halvledarplattform som helst som kisel, är känsliga för laddningsljud.

Teamets forskning avslöjade att förekomsten av defekter antingen i kiselchippet eller vid gränssnittet till ytan var betydande bidragande orsaker till laddningsbruset.

"Detta var en överraskning, eftersom vi har spenderat mycket tid på att optimera kvaliteten på vårt kiselchip men detta visade att även några föroreningar i närheten kan påverka ljudet, säger Kranz.

Genom att reducera föroreningarna i kiselchipset och placera atomerna bort från ytan och gränsytan där det mesta av bruset kommer, laget kunde producera det rekordstora resultatet.

"Våra resultat fortsätter att visa att kisel är ett fantastiskt material för qubits. Med vår förmåga att konstruera varje aspekt av qubit-miljön, vi bevisar systematiskt att atom-qubits i kisel är reproducerbara, snabb och stabil, " säger prof. Michelle Simmons, Direktör CQC ² T.

"Vår nästa utmaning är att gå över till isotopiskt ren kristallin Si-28 för att dra nytta av de långa koherenstider som redan demonstrerats i detta system."

Timing är allt

Med hjälp av det nytillverkade kiselchipset, teamet utförde sedan en rad experiment för att karakterisera laddningsbruset, med oväntade resultat.

"Vi mätte laddningsbruset med både en enstaka elektrontransistor och ett utbyteskopplat qubit-par som tillsammans ger ett konsekvent laddningsbrusspektrum över ett brett frekvensområde, säger CQC ² T medförfattare Dr Sam Gorman.

Mätningarna avslöjade en nyckelfaktor som påverkar laddningsbruset — tid.

"Från det brusspektrum vi mätte, vi vet att ju längre beräkningen är – desto mer brus påverkar vårt system, " säger Dr Gorman.

"Detta har stora konsekvenser för designen av framtida enheter, med kvantoperationer som måste genomföras inom exceptionellt korta tidsramar så att laddningsbruset inte blir värre med tiden, lägga till fel i beräkningen."

Arbetar systematiskt mot en kommersiellt tillgänglig kiselkvantdator

För att utföra felfria beräkningar som krävs för storskalig kvantberäkning, en två-qubit-grind – den centrala byggstenen i vilken kvantdator som helst – behöver en trohet – eller noggrannhet – på över 99 %. För att nå denna trohetströskel måste kvantoperationer vara stabila och snabba.

I en färsk tidning - publicerad i Fysisk granskning X - Simmons-gruppen, använder sin atomära precisionsförmåga, visade förmågan att läsa ut qubits på 1 mikrosekund.

"Denna forskning kombinerat med våra lägsta laddningsbrusresultat visar att det är möjligt att uppnå en 99,99% trohet i atom-qubits i kisel, " säger prof. Simmons, som också är grundare av SQC.

"Vårt team arbetar nu för att leverera alla dessa nyckelresultat på en enda enhet – snabbt, stabil, hög kvalitet och med långa koherenstider – ett stort steg närmare en fullskalig kvantprocessor i kisel."

Professor Simmons arbetar med SQC för att bygga den första användbara, kommersiell kvantdator i kisel. Samlokaliserad med CQC ² T på UNSW Sydney campus, SQC:s mål är att visa den förmåga som krävs för att tillförlitligt producera en 10-qubit prototyp kvantintegrerad processor senast 2023.

"Vårt teams resultat bekräftar vidare att vårt unika tillvägagångssätt - att exakt positionera fosforatomer i kisel - är en extremt lovande möjlighet att bygga den felkorrigerade, storskalig arkitektur som krävs för kommersialisering av kiselkvantdatorer, " säger Prof. Simmons.