Forskare från Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC ² T) att arbeta med Silicon Quantum Computing (SQC) har hittat 'sweet spot' för positionering av qubits i kisel för att skala upp atombaserade kvantprocessorer.

Skapa kvantbitar, eller qubits, genom att exakt placera fosforatomer i kisel - den metod som CQC utvecklade ² T Direktör Professor Michelle Simmons-är ett världsledande tillvägagångssätt inom utvecklingen av en kvantdator av kisel.

I teamets forskning, publicerad idag i Naturkommunikation , precisionsplacering har visat sig vara avgörande för att utveckla robusta interaktioner - eller koppling - mellan qubits.

"Vi har hittat den optimala positionen för att skapa reproducerbara, starka och snabba interaktioner mellan qubiterna, säger professor Sven Rogge, som ledde forskningen.

"Vi behöver dessa robusta interaktioner för att konstruera en multi-qubit-processor och, i sista hand, en användbar kvantdator. "

Två-qubit-grindar-den centrala byggstenen i en kvantdator-använder interaktioner mellan par qubits för att utföra kvantoperationer. För atom qubits i kisel, tidigare forskning har föreslagit att för vissa positioner i kiselkristallen, växelverkan mellan qubiterna innehåller en oscillerande komponent som kan bromsa grindoperationerna och göra dem svåra att kontrollera.

"I nästan två decennier har interaktionernas potentiella oscillerande karaktär har förutspåtts vara en utmaning för skalning, "Säger professor Rogge.

"Nu, genom nya mätningar av qubit -interaktionerna, Vi har utvecklat en djup förståelse för arten av dessa oscillationer och föreslår en strategi för precisionsplacering för att göra interaktionen mellan qubits robust. Detta är ett resultat som många trodde inte var möjligt. "

Hitta "sweet spot" i kristallsymmetrier

Forskarna säger att de nu har upptäckt att exakt där du placerar qubits är viktigt för att skapa starka och konsekventa interaktioner. Denna avgörande insikt har betydande konsekvenser för designen av storskaliga processorer.

"Kisel är en anisotrop kristall, vilket innebär att den riktning atomerna placeras i kan väsentligt påverka interaktionerna mellan dem, "säger Dr Benoit Voisin, huvudförfattare till forskningen.

"Medan vi redan visste om denna anisotropi, ingen hade utforskat i detalj hur det faktiskt kan användas för att mildra den oscillerande interaktionsstyrkan. "

"Vi fann att det finns en speciell vinkel, eller sweet spot, inom ett visst plan i kiselkristallen där interaktionen mellan qubiterna är mest motståndskraftig. Viktigt, denna sweet spot kan uppnås med hjälp av befintliga litografitekniker för scanningstunnelmikroskop (STM) som utvecklats vid UNSW. "

"I slutet, både problemet och dess lösning härrör direkt från kristalsymmetrier, så det här är en fin twist. "

Med en STM, teamet kan kartlägga atomernas vågfunktion i 2-D-bilder och identifiera deras exakta rumsliga plats i kiselkristallen-först demonstrerad 2014 med forskning publicerad i Naturmaterial och avancerade under 2016 Naturnanoteknik papper.

I den senaste forskningen, laget använde samma STM-teknik för att observera detaljer i atomskala om interaktionerna mellan de kopplade atomqubitsna.

"Med hjälp av vår kvanttillstånds bildteknik, vi kunde för första gången observera både anisotropin i vågfunktionen och störningseffekten direkt i planet - detta var utgångspunkten för att förstå hur detta problem utvecklas, "säger Dr Voisin.

"Vi förstod att vi först måste räkna ut effekterna av var och en av dessa två ingredienser separat, innan vi tittar på hela bilden för att lösa problemet - så här kan vi hitta denna söta plats, vilket är lätt kompatibelt med den atomplaceringsprecision som erbjuds av vår STM -litografiteknik. "

Bygga en kiselkvantdatoratom för atom

UNSW -forskare vid CQC ² T leder världen i loppet att bygga atombaserade kvantdatorer i kisel. Forskarna vid CQC ² T, och dess närstående kommersialiseringsföretag SQC, är det enda laget i världen som har förmågan att se den exakta positionen för sina qubits i fast tillstånd.

År 2019, Simmons-gruppen nådde en viktig milstolpe i sin precisionsplaceringsmetod-med laget som först byggde den snabbaste två-qubit-porten i kisel genom att placera två atom-qubits nära varandra, och sedan kontrollerbart observera och mäta deras spinntillstånd i realtid. Forskningen publicerades i Natur .

Nu, med Rogge -teamets senaste framsteg, forskarna från CQC ² T och SQC är positionerade för att använda dessa interaktioner i större system för skalbara processorer.

"Att kunna observera och exakt placera atomer i våra kiselchips fortsätter att ge en konkurrensfördel för att tillverka kvantdatorer i kisel, "säger professor Simmons.

De kombinerade Simmons, Rogge och Rahman -team arbetar med SQC för att bygga det första användbara, kommersiell kvantdator i kisel. Samlokaliserat med CQC ² T på UNSW Sydney campus, SQC:s mål är att bygga högsta kvalitet, mest stabila kvantprocessor.