Två forskarlag som arbetar i samma laboratorier vid UNSW Australien har hittat distinkta lösningar på en kritisk utmaning som har hållit tillbaka förverkligandet av superkraftiga kvantdatorer.

Teamen skapade två typer av kvantbitar, eller "qubits" – byggstenarna för kvantdatorer – som varje bearbetar kvantdata med en noggrannhet över 99 %. De två fynden har publicerats samtidigt i dag i tidskriften Naturens nanoteknik .

"För att kvantberäkning ska bli verklighet måste vi köra bitarna med mycket låga felfrekvenser, " säger Scientia-professor Andrew Dzurak, som är chef för Australian National Fabrication Facility vid UNSW, där enheterna tillverkades.

"Vi har nu kommit fram till två parallella vägar för att bygga en kvantdator i kisel, var och en visar denna supernoggrannhet, ", tillägger docent Andrea Morello från UNSW:s School of Electrical Engineering and Telecommunications.

UNSW-teamen, som också är anslutna till ARC Center of Excellence for Quantum Computation &Communication Technology, var först i världen med att demonstrera enatoms spin-qubits i kisel, redovisas i Natur 2012 och 2013.

Nu har teamet under ledning av Dzurak upptäckt ett sätt att skapa en "konstgjord atom" qubit med en enhet som är anmärkningsvärt lik kiseltransistorerna som används i hemelektronik, känd som MOSFETs. Postdoktor Menno Veldhorst, huvudförfattare på tidningen som rapporterar den artificiella atomen qubit, säger, "Det är verkligen fantastiskt att vi kan göra en så exakt qubit med i stort sett samma enheter som vi har i våra bärbara datorer och telefoner".

Under tiden, Morellos team har drivit den "naturliga" fosforatomens qubit till ytterligheterna av prestanda. Dr Juha Muhonen, en postdoktorand forskare och huvudförfattare på det naturliga atom qubit-papperet, noterar:"Fosforatomen innehåller faktiskt två qubits:elektronen, och kärnan. Med kärnan i synnerhet, vi har uppnått en noggrannhet nära 99,99 %. Det betyder bara ett fel för varje 10:e, 000 kvantoperationer."

Dzurak förklarar att "även om det finns metoder för att korrigera fel, deras effektivitet garanteras endast om felen inträffar mindre än 1 % av tiden. Våra experiment är bland de första i fast tillstånd, och den första någonsin i kisel, för att uppfylla detta krav."

Högnoggrannheten för både naturliga och artificiella atomqubits uppnås genom att placera var och en inuti ett tunt lager av speciellt renat kisel, innehållande endast kisel-28 isotopen. Denna isotop är helt omagnetisk och, till skillnad från de i naturligt förekommande kisel, stör inte kvantbiten. Det renade kislet tillhandahölls genom samarbete med professor Kohei Itoh från Keio University i Japan.

Nästa steg för forskarna är att bygga par av mycket exakta kvantbitar. Stora kvantdatorer förväntas bestå av många tusen eller miljoner qubits och kan integrera både naturliga och artificiella atomer.

Morellos forskargrupp etablerade också ett världsrekord "koherenstid" för en enda kvantbit som hölls i fast tillstånd. "Koherenstid är ett mått på hur länge du kan bevara kvantinformation innan den går förlorad, " säger Morello. Ju längre koherenstiden är, desto lättare blir det att utföra långa operationssekvenser, och därför mer komplexa beräkningar.

Teamet kunde lagra kvantinformation i en fosforkärna i mer än 30 sekunder. "En halv minut är en evighet i kvantvärlden. Att bevara en "kvantöverlagring" under så lång tid, och inuti vad som i princip är en modifierad version av en normal transistor, är något som nästan ingen trodde var möjligt förrän idag, " säger Morello.

"För våra två grupper att samtidigt få dessa dramatiska resultat med två helt olika system är väldigt speciellt, speciellt för att vi är riktigt bra kompisar, " tillägger Dzurak.