Per la prima volta in assoluto, i ricercatori hanno misurato la fedeltà, cioè l'accuratezza delle operazioni logiche a due qubit nel silicio, con risultati molto promettenti che consentiranno di scalare fino a un processore quantistico su vasta scala.

La ricerca, svolto dal team del professor Andrew Dzurak in UNSW Engineering, è stato pubblicato oggi sulla rivista di fama mondiale Natura .

Gli esperimenti sono stati eseguiti da Wister Huang, un dottorato di ricerca dell'ultimo anno studente in Ingegneria Elettrica, e il dottor Henry Yang, un ricercatore senior presso UNSW.

"Tutti i calcoli quantistici possono essere costituiti da operazioni a un qubit e operazioni a due qubit:sono gli elementi costitutivi centrali del calcolo quantistico, "dice il professor Dzurak.

"Una volta che hai quelli, puoi eseguire qualsiasi calcolo tu voglia, ma la precisione di entrambe le operazioni deve essere molto elevata."

Nel 2015 il team di Dzurak è stato il primo a costruire una porta logica quantistica in silicio, rendendo possibili calcoli tra due qubit di informazioni e quindi eliminando un ostacolo cruciale per rendere i computer quantistici al silicio una realtà.

Da allora un certo numero di gruppi in tutto il mondo ha dimostrato porte a due qubit nel silicio, ma fino a questo documento fondamentale oggi, la vera precisione di un tale gate a due qubit era sconosciuta.

Precisione cruciale per il successo quantistico

"La fedeltà è un parametro critico che determina quanto sia praticabile una tecnologia qubit:puoi sfruttare l'enorme potenza del calcolo quantistico solo se le operazioni qubit sono quasi perfette, con solo piccoli errori ammessi, " dice il dottor Yang.

In questo studio, il team ha implementato ed eseguito il benchmarking di fedeltà basato su Clifford, una tecnica in grado di valutare l'accuratezza dei qubit su tutte le piattaforme tecnologiche, dimostrando una fedeltà media del gate a due qubit del 98%.

"Abbiamo raggiunto un'elevata fedeltà caratterizzando e mitigando le fonti di errore primarie, migliorando così la fedeltà del gate al punto in cui è possibile eseguire sequenze di benchmarking randomizzate di lunghezza significativa - più di 50 operazioni di gate - sul nostro dispositivo a due qubit, "dice il signor Huang, l'autore principale della carta.

I computer quantistici avranno una vasta gamma di importanti applicazioni in futuro grazie alla loro capacità di eseguire calcoli molto più complessi a velocità molto maggiori, inclusa la risoluzione di problemi che sono semplicemente al di là delle capacità dei computer di oggi.

"Ma per la maggior parte di queste importanti applicazioni, saranno necessari milioni di qubit, e dovrai correggere gli errori quantistici, anche quando sono piccoli, "dice il professor Dzurak.

"Affinché la correzione degli errori sia possibile, i qubit stessi devono essere molto accurati in primo luogo, quindi è fondamentale valutare la loro fedeltà."

"Più accurati sono i tuoi qubit, meno ne hai bisogno, e quindi, prima potremo accelerare l'ingegneria e la produzione per realizzare un computer quantistico su vasta scala".

Silicio confermato come la strada da percorrere

I ricercatori affermano che lo studio è un'ulteriore prova che il silicio come piattaforma tecnologica è ideale per aumentare il numero di qubit necessari per il calcolo quantistico universale. Dato che il silicio è al centro dell'industria informatica globale da quasi 60 anni, le sue proprietà sono già ben comprese e gli impianti di produzione di chip di silicio esistenti possono adattarsi facilmente alla tecnologia.

"Se il nostro valore di fedeltà fosse stato troppo basso, avrebbe significato seri problemi per il futuro dell'informatica quantistica al silicio. Il fatto che sia vicino al 99% lo mette nel campo da baseball di cui abbiamo bisogno, e ci sono ottime prospettive di ulteriore miglioramento. I nostri risultati mostrano immediatamente, come avevamo previsto, che il silicio è una piattaforma praticabile per il calcolo quantistico su vasta scala, "dice il professor Dzurak.

"Pensiamo di raggiungere fedeltà significativamente più elevate nel prossimo futuro, aprendo la strada alla piena scala, calcolo quantistico fault-tolerant. Ora siamo sull'orlo di una precisione di due qubit abbastanza alta per la correzione degli errori quantistici".

In un altro articolo, pubblicato di recente in Elettronica della natura ed è presente sulla copertina, di cui il dottor Yang è l'autore principale, lo stesso team ha anche ottenuto il record per la porta da 1 qubit più accurata al mondo in un punto quantico di silicio, con una fedeltà notevole del 99,96%.

"Oltre ai vantaggi naturali dei qubit di silicio, uno dei motivi principali per cui siamo stati in grado di ottenere risultati così impressionanti è dovuto al fantastico team che abbiamo qui all'UNSW. Il mio studente Wister e il dottor Yang sono entrambi incredibilmente talentuosi. Hanno personalmente concepito i complessi protocolli necessari per questo esperimento di benchmarking, "dice il professor Dzurak.

Altri autori su oggi Natura paper sono i ricercatori UNSW Tuomo Tanttu, Ross Leon, Fay Hudson, Andrea Morello e Arne Laucht, così come gli ex membri del team Dzurak Kok Wai Chan, Bas Hensen, Michael Fogarty e Jason Hwang, mentre il professor Kohei Itoh dell'Università giapponese di Keio ha fornito wafer di silicio arricchiti con isotopi per il progetto.

Preside di Ingegneria dell'UNSW, Professor Mark Hoffman, afferma che la svolta è un'altra prova del fatto che questo team leader a livello mondiale sta portando l'informatica quantistica oltre la soglia dal teorico al reale.

"L'informatica quantistica è la corsa allo spazio di questo secolo e Sydney sta guidando la carica, "dice il professor Hoffman.

"Questa pietra miliare è un altro passo avanti verso la realizzazione di un computer quantistico su larga scala e rafforza il fatto che il silicio è un approccio estremamente attraente che crediamo porterà l'UNSW lì per primo".

Gli spin qubit basati sulla tecnologia CMOS al silicio, il metodo specifico sviluppato dal gruppo del professor Dzurak, sono molto promettenti per il calcolo quantistico a causa dei loro lunghi tempi di coerenza e del potenziale per sfruttare la tecnologia dei circuiti integrati esistente per produrre il gran numero di qubit necessari per applicazioni pratiche.

Il professor Dzurak guida un progetto per far progredire la tecnologia qubit CMOS al silicio con Silicon Quantum Computing, La prima azienda australiana di informatica quantistica.

"Il nostro ultimo risultato ci avvicina alla commercializzazione di questa tecnologia:il mio gruppo si occupa di costruire un chip quantistico che può essere utilizzato per applicazioni del mondo reale, "dice il professor Dzurak.

Un processore quantistico su larga scala avrebbe importanti applicazioni nel settore finanziario, settori della sicurezza e della sanità:aiuterebbe a identificare e sviluppare nuovi farmaci accelerando notevolmente la progettazione assistita da computer di composti farmaceutici, potrebbe contribuire allo sviluppo di nuovi, materiali più leggeri e resistenti che vanno dall'elettronica di consumo agli aerei, e una ricerca più rapida delle informazioni attraverso grandi database.