Un risultato da record mondiale nella riduzione degli errori negli "spin qubit" dei semiconduttori, un tipo di elemento costitutivo per i computer quantistici, è stato ottenuto utilizzando il lavoro teorico dei fisici quantistici presso il Nano Institute e la School of Physics dell'Università di Sydney.

Il risultato sperimentale degli ingegneri dell'Università del New South Wales ha dimostrato tassi di errore fino allo 0,043 percento, inferiore a qualsiasi altro qubit di spin. Il documento di ricerca congiunto dei team di Sydney e UNSW è stato pubblicato questa settimana in Elettronica della natura ed è la storia di copertina del giornale per aprile.

"La riduzione degli errori nei computer quantistici è necessaria prima che possano essere scalati in macchine utili, " ha detto il professor Stephen Bartlett, un corrispondente autore dell'articolo.

"Una volta che operano su larga scala, i computer quantistici potrebbero mantenere la loro grande promessa di risolvere problemi oltre la capacità anche dei più grandi supercomputer. Questo potrebbe aiutare l'umanità a risolvere i problemi di chimica, progettazione e industria dei farmaci".

Esistono molti tipi di bit quantistici, o qubit, che vanno da quelli che utilizzano ioni intrappolati, circuiti superconduttori o fotoni. Uno "spin qubit" è un bit quantistico che codifica le informazioni in base alla direzione magnetica quantizzata di un oggetto quantistico, come un elettrone.

Australia, e Sydney in particolare, sta emergendo come leader globale nella tecnologia quantistica. Il recente annuncio di finanziare l'istituzione di una Sydney Quantum Academy, sottolinea l'enorme opportunità in Australia di costruire un'economia quantistica basata sulla più grande concentrazione mondiale di gruppi di ricerca quantistica qui a Sydney.

Nessuna pratica senza teoria

Sebbene gran parte della recente attenzione nell'informatica quantistica si sia concentrata sui progressi nell'hardware, nessuno di questi progressi sarebbe stato possibile senza lo sviluppo della teoria dell'informazione quantistica.

Il gruppo di teoria quantistica dell'Università di Sydney, guidato dal professor Stephen Bartlett e dal professor Steven Flammia, è una delle potenze mondiali della teoria dell'informazione quantistica, consentendo ai team ingegneristici e sperimentali di tutto il mondo di realizzare i minuziosi progressi fisici necessari per garantire che l'informatica quantistica diventi una realtà.

Il lavoro del gruppo di teoria quantistica di Sydney è stato essenziale per il risultato da record mondiale pubblicato in Elettronica della natura .

Il professor Bartlett ha dichiarato:"Poiché il tasso di errore era così basso, il team dell'UNSW aveva bisogno di alcuni metodi piuttosto sofisticati per essere anche in grado di rilevare gli errori.

"Con tassi di errore così bassi, avevamo bisogno di esecuzioni di dati che durassero giorni e giorni solo per raccogliere le statistiche e mostrare l'errore occasionale."

Il professor Bartlett ha affermato che una volta identificati gli errori, è necessario caratterizzarli, eliminati e riqualificati.

"Il gruppo di Steve Fammia è leader mondiale nella teoria della caratterizzazione degli errori, che è stato utilizzato per ottenere questo risultato, " Egli ha detto.

Il gruppo Flammia ha recentemente dimostrato per la prima volta un miglioramento nei computer quantistici utilizzando codici progettati per rilevare e scartare errori nelle porte logiche, o interruttori, utilizzando il computer quantistico IBM Q.

Professor Andrew Dzurak, che guida il gruppo di ricerca dell'UNSW, ha dichiarato:"È stato inestimabile lavorare con i professori Bartlett e Flammia, e la loro squadra, per aiutarci a capire i tipi di errori che vediamo nei nostri qubit silicio-CMOS all'UNSW.

"Il nostro sperimentatore capo, Enrico Yang, ha lavorato a stretto contatto con loro per raggiungere questa straordinaria fedeltà del 99,957 percento, dimostrando che ora abbiamo il qubit a semiconduttore più accurato al mondo".

Il professor Bartlett ha affermato che il record mondiale di Henry Yang probabilmente durerà a lungo. Ha detto che ora il team dell'UNSW e altri lavoreranno per costruire fino a due qubit e array di livello superiore in silicio-CMOS.

I computer quantistici pienamente funzionanti avranno bisogno di milioni, se non miliardi, di qubit per operare. La progettazione di qubit a basso errore ora è un passaggio fondamentale per passare a tali dispositivi.

Il professor Raymond Laflamme è presidente di Quantum Information presso l'Università di Waterloo in Canada e non è stato coinvolto nello studio. Ha detto:"Man mano che i processori quantistici diventano più comuni, un importante strumento per valutarli è stato sviluppato dal gruppo Bartlett dell'Università di Sydney. Ci consente di caratterizzare la precisione delle porte quantistiche e offre ai fisici la capacità di distinguere tra errori incoerenti e coerenti che portano a un controllo senza precedenti dei qubit".

Impatto globale

Il risultato congiunto Università di Sydney-UNSW arriva subito dopo un documento dello stesso team di teoria quantistica con sperimentalisti presso l'Istituto Niels Bohr di Copenaghen.

quel risultato, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , consente lo scambio di informazioni a distanza tra gli elettroni tramite un mediatore, migliorare le prospettive per un'architettura ingrandita nei computer quantistici spin-qubit.

Il risultato è stato significativo perché consente alla distanza tra i punti quantici di essere sufficientemente grande per l'integrazione nella microelettronica più tradizionale. Il risultato è stato uno sforzo congiunto dei fisici di Copenaghen, Sydney e Purdue negli Stati Uniti.

Il professor Bartlett ha detto:"Il problema principale è che per far interagire i punti quantici è necessario che siano ridicolmente vicini, a nanometri di distanza. Ma a questa distanza interferiscono l'uno con l'altro, rendendo il dispositivo troppo difficile da sintonizzare per eseguire calcoli utili."

La soluzione era consentire agli elettroni entangled di mediare le loro informazioni tramite un "pool" di elettroni, allontanandoli ulteriormente.

Ha detto:"È un po' come avere un autobus, un grande mediatore che consente l'interazione di spin distanti. Se puoi consentire più interazioni di spin, quindi l'architettura quantistica può passare a layout bidimensionali".

Il professore associato Ferdinand Kuemmeth dell'Istituto Niels Bohr di Copenaghen ha dichiarato:"Abbiamo scoperto che un grande, punto quantico allungato tra i punti di sinistra e i punti di destra, mediato uno scambio coerente di stati di spin, in un miliardesimo di secondo, senza mai spostare gli elettroni dai loro punti.

Il professor Bartlett ha detto:"Ciò che trovo eccitante di questo risultato come teorico, è che ci libera dalla geometria vincolante di un qubit facendo affidamento solo sui suoi vicini più prossimi."

Ufficio per l'impegno globale

La storia di questo esperimento risale a un decennio a un programma di attività di progetti di ricerca avanzata dell'intelligence statunitense (IARPA) guidato dal professor Charlie Marcus, un coautore che all'epoca era ad Harvard prima di trasferirsi a Copenaghen.

Il professor Bartlett ha dichiarato:"Siamo andati tutti a Copenaghen per un seminario nel 2018 in parte per lavorare su questo problema. Thomas Evans, un coautore del documento, vi rimase per due mesi con il supporto dell'Office for Global Engagement. OGE ha anche sostenuto il Dr. Arne Grimsmo, che stava lavorando a un altro progetto."

Ha detto che l'esperimento e le nostre discussioni erano a buon punto quando abbiamo ottenuto il finanziamento dell'OGE. Ma sono stati questo seminario e il relativo finanziamento che hanno permesso al team di Sydney di andare a Copenaghen per pianificare la prossima generazione di esperimenti basati su questo risultato.

Il professor Bartlett ha dichiarato:"Questo metodo ci consente di separare un po' di più i punti quantici, rendendoli più facili da sintonizzare separatamente e farli lavorare insieme.

"Ora che abbiamo questo mediatore, possiamo iniziare a pianificare una matrice bidimensionale di queste coppie di punti quantici".