L'esclusivo approccio australiano alla creazione di bit quantistici da singoli atomi posizionati con precisione nel silicio sta raccogliendo importanti frutti, con gli scienziati guidati dall'UNSW Sydney che mostrano per la prima volta che possono far "parlare" tra loro due di questi qubit atomici.

Il team, guidato dalla professoressa UNSW Michelle Simmons, Direttore del Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology, o CQC2T - è l'unico gruppo al mondo che ha la capacità di vedere la posizione esatta dei propri qubit allo stato solido.

Il team di Simmons crea i qubit atomici posizionando con precisione e incapsulando singoli atomi di fosforo all'interno di un chip di silicio. Le informazioni vengono memorizzate sullo spin quantistico di un singolo elettrone di fosforo.

L'ultimo progresso del team - la prima osservazione di interazioni controllabili tra due di questi qubit - è pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura . Segue altre due recenti scoperte che utilizzano questo approccio unico alla costruzione di un computer quantistico.

Ottimizzando il loro processo di nanoproduzione, Il team di Simmons ha anche recentemente creato circuiti quantistici con il rumore elettrico registrato più basso di qualsiasi dispositivo a semiconduttore.

E hanno creato un qubit di spin di elettroni con la durata più lunga mai riportata in un dispositivo nanoelettrico:30 secondi.

"I risultati combinati di questi tre documenti di ricerca confermano le prospettive estremamente promettenti per la costruzione di sistemi multi-qubit utilizzando i nostri qubit atomici, "dice Simmons.

Australian of the Year 2018 ispirato a Richard Feynman

Simmons, che è stata nominata australiana dell'anno 2018 a gennaio per la sua ricerca pionieristica sull'informatica quantistica, afferma che il lavoro innovativo del suo team è ispirato dal defunto fisico Richard Feynman.

"Feynman ha detto:'Ciò che non posso creare, Non capisco'. Stiamo attuando questa strategia in modo sistematico, da zero, atomo per atomo, "dice Simmons.

"Inserendo i nostri atomi di fosforo nel silicio per creare un qubit, abbiamo dimostrato che possiamo usare una sonda di scansione per misurare direttamente la funzione d'onda dell'atomo, che ci dice la sua esatta posizione fisica nel chip. Siamo l'unico gruppo al mondo che può effettivamente vedere dove sono i nostri qubit.

"Il nostro vantaggio competitivo è che possiamo mettere il nostro qubit di alta qualità dove vogliamo nel chip, guarda cosa abbiamo fatto, e poi misurare come si comporta. Possiamo aggiungere un altro qubit nelle vicinanze e vedere come interagiscono le due funzioni d'onda. E poi possiamo iniziare a generare repliche dei dispositivi che abbiamo creato, " lei dice.

Per il nuovo studio, il team ha posizionato due qubit, uno composto da due atomi di fosforo e uno da un singolo atomo di fosforo, a 16 nanometri di distanza in un chip di silicio.

"Utilizzando elettrodi modellati sul chip con tecniche di precisione simili, siamo stati in grado di controllare le interazioni tra questi due qubit vicini, quindi gli spin quantistici dei loro elettroni divennero correlati, ", afferma il coautore principale dello studio, Dottor Matteo Broome, ex UNSW e ora all'Università di Copenhagen.

"È stato affascinante da guardare. Quando lo spin di un elettrone è rivolto verso l'alto, gli altri punti in basso, e viceversa.

"Questa è una pietra miliare importante per la tecnologia. Questo tipo di correlazioni di spin sono il precursore degli stati entangled che sono necessari affinché un computer quantistico funzioni ed esegua calcoli complessi, " lui dice.

Coautore principale dello studio, Sam Gorman dell'UNSW, afferma:"La teoria aveva previsto che i due qubit avrebbero dovuto essere posizionati a 20 nanometri di distanza per vedere questo effetto di correlazione. Ma abbiamo scoperto che si verifica a soli 16 nanometri di distanza.

"Nel nostro mondo quantistico, questa è una differenza molto grande, " dice. "E 'anche brillante, come sperimentatore, mettere in discussione la teoria."

In testa alla corsa per costruire un computer quantistico in silicio

Gli scienziati e gli ingegneri dell'UNSW di CQC2T stanno guidando il mondo nella corsa per costruire un computer quantistico in silicio. Stanno sviluppando approcci brevettati paralleli che utilizzano qubit a singolo atomo e punti quantici.

"La nostra speranza è che entrambi gli approcci funzionino bene. Sarebbe fantastico per l'Australia, "dice Simmons.

Il team UNSW ha scelto di lavorare in silicio perché è tra gli ambienti più stabili e facilmente fabbricabili in cui ospitare qubit, e la sua lunga storia di utilizzo nell'industria informatica convenzionale significa che esiste un vasto corpo di conoscenze su questo materiale.

Nel 2012, La squadra di Simmons, che utilizzano microscopi a scansione a effetto tunnel per posizionare i singoli atomi di fosforo nel silicio e quindi epitassia a fascio molecolare per incapsularli, ha creato i fili conduttori più stretti del mondo, solo quattro atomi di fosforo di diametro e un atomo di altezza.

In un recente articolo pubblicato sulla rivista Nano Letters, hanno usato tecniche di controllo su scala atomica simili per produrre circuiti larghi circa 2-10 nanometri e hanno mostrato che aveva il rumore elettrico registrato più basso di qualsiasi circuito a semiconduttore. Questo lavoro è stato intrapreso insieme a Saquib Shamim e Arindam Ghosh dell'Indian Institute of Science.

"È ampiamente accettato che il rumore elettrico proveniente dai circuiti che controlla i qubit sarà un fattore critico nel limitare le loro prestazioni, "dice Simmons.

"I nostri risultati confermano che il silicio è una scelta ottimale, perché il suo utilizzo evita il problema che la maggior parte degli altri dispositivi deve affrontare di avere un mix di materiali diversi, compresi dielettrici e metalli di superficie, che può essere la fonte di, e amplificare, rumore elettrico.

"Con il nostro approccio di precisione abbiamo raggiunto quello che riteniamo sia il livello di rumore elettrico più basso possibile per un nano-dispositivo elettronico in silicio - tre ordini di grandezza inferiore rispetto anche all'utilizzo di nanotubi di carbonio, " lei dice.

In un altro recente articolo su Science Advances, Il team di Simmons ha mostrato che i loro qubit di precisione nel silicio potrebbero essere progettati in modo che lo spin dell'elettrone abbia una durata record di 30 secondi, fino a 16 volte più lunga di quanto riportato in precedenza. Il primo autore, Il dottor Thomas Watson, era all'UNSW per intraprendere il suo dottorato di ricerca e ora è alla Delft University of Technology.

"Questo è un tema caldo di ricerca, " dice Simmons. "La durata dello spin dell'elettrone - prima che inizi a decadere, Per esempio, da spin up a spin down - è vitale. Più lunga è la vita, più a lungo possiamo memorizzare le informazioni nel suo stato quantico".

Nello stesso giornale, hanno dimostrato che queste lunghe vite hanno permesso loro di leggere gli spin elettronici di due qubit in sequenza con una precisione del 99,8 percento per ciascuno, che è il livello richiesto per la correzione pratica degli errori in un processore quantistico.

La prima azienda australiana di informatica quantistica

Invece di eseguire calcoli uno dopo l'altro, come un computer convenzionale, un computer quantistico funzionerebbe in parallelo e sarebbe in grado di esaminare tutti i possibili risultati contemporaneamente. Sarebbe in grado di risolvere problemi in pochi minuti che altrimenti richiederebbero migliaia di anni.

L'anno scorso, La prima azienda australiana di calcolo quantistico, sostenuta da un consorzio unico di governi, industria e università - è stata fondata per commercializzare la ricerca leader mondiale di CQC2T.

Operare da nuovi laboratori all'UNSW, Silicon Quantum Computing Pty Ltd ha l'obiettivo di produrre un dispositivo dimostrativo a 10 qubit in silicio entro il 2022, come precursore di un computer quantistico basato su silicio.

Il governo australiano ha investito 26 milioni di dollari nell'impresa da 83 milioni di dollari attraverso la sua agenda nazionale per l'innovazione e la scienza, con altri 25 milioni di dollari provenienti dall'UNSW, 14 milioni di dollari dalla Commonwealth Bank of Australia, 10 milioni di dollari da Telstra e 8,7 milioni di dollari dal governo del NSW.

Si stima che le industrie che rappresentano circa il 40% dell'attuale economia australiana potrebbero essere significativamente influenzate dall'informatica quantistica. Le possibili applicazioni includono la progettazione di software, apprendimento automatico, programmazione e pianificazione logistica, analisi finanziaria, modellizzazione del mercato azionario, verifica software e hardware, modellistica climatica, progettazione e test rapidi di farmaci, e la diagnosi precoce e la prevenzione delle malattie.