Un gruppo di scienziati guidati dalla professoressa australiana dell'anno 2018 Michelle Simmons ha raggiunto il primo cancello a due qubit tra i qubit atomici in silicio, una pietra miliare nella ricerca del team di costruire un computer quantistico su scala atomica. Il pezzo fondamentale della ricerca è stato pubblicato oggi su una rivista di fama mondiale Natura .

Un cancello a due qubit è l'elemento centrale di qualsiasi computer quantistico e la versione del team dell'UNSW è la più veloce che sia mai stata dimostrata nel silicio, completare un'operazione in 0,8 nanosecondi, che è ~200 volte più veloce di altre porte a due qubit basate su spin esistenti.

Nell'approccio del gruppo di Simmons, una porta a due qubit è un'operazione tra due spin di elettroni, paragonabile al ruolo che le porte logiche classiche svolgono nell'elettronica convenzionale. Per la prima volta, il team è stato in grado di costruire un cancello a due qubit posizionando due qubit atomici più vicini che mai, e poi, in tempo reale, osservando e misurando in modo controllato i loro stati di spin.

L'approccio unico del team all'informatica quantistica richiede non solo il posizionamento di singoli qubit atomici nel silicio, ma tutti i circuiti associati da inizializzare, controllare e leggere i qubit su scala nanometrica, un concetto che richiede una precisione così squisita che è stato a lungo ritenuto impossibile. Ma con questo importante traguardo, il team è ora in grado di tradurre la propria tecnologia in processori scalabili.

Professor Simmons, Direttore del Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) e fondatore di Silicon Quantum Computing Pty Ltd., afferma che l'ultimo decennio di risultati precedenti ha preparato perfettamente la squadra per spostare i confini di ciò che si pensa sia "umanamente possibile".

"I qubit atomici detengono il record mondiale per i tempi di coerenza più lunghi di un qubit in silicio con la massima fedeltà, " dice. "Utilizzando le nostre tecnologie di fabbricazione uniche, abbiamo già dimostrato la capacità di leggere e inizializzare gli spin di singoli elettroni su qubit atomici in silicio con una precisione molto elevata. Abbiamo anche dimostrato che i nostri circuiti su scala atomica hanno il rumore elettrico più basso di qualsiasi sistema finora concepito per connettersi a un qubit a semiconduttore.

"Ottimizzare ogni aspetto del design del dispositivo con precisione atomica ci ha ora permesso di costruire un dispositivo davvero veloce, gate a due qubit altamente accurato, che è l'elemento fondamentale di un sistema scalabile, computer quantistico a base di silicio.

"Abbiamo davvero dimostrato che è possibile controllare il mondo su scala atomica e che i vantaggi dell'approccio sono trasformativi, compresa la notevole velocità con cui opera il nostro sistema."

Preside di Scienze dell'UNSW, Professoressa Emma Johnston AO, afferma che questo documento chiave mostra ulteriormente quanto sia innovativa la ricerca del professor Simmons.

"Questa è stata una delle pietre miliari finali del team di Michelle per dimostrare che possono effettivamente realizzare un computer quantistico usando i qubit atomici. Il loro prossimo obiettivo principale è costruire un circuito quantistico integrato da 10 qubit e speriamo che raggiungano questo obiettivo entro 3-4 anni".

Alzarsi e chiudersi con i qubit:ingegneria con una precisione di appena millemilionesimi di metro

Utilizzando un microscopio a scansione a effetto tunnel per posizionare con precisione e incapsulare atomi di fosforo nel silicio, il team ha dovuto prima calcolare la distanza ottimale tra due qubit per consentire l'operazione cruciale.

"La nostra tecnica di fabbricazione ci consente di posizionare i qubit esattamente dove li vogliamo. Questo ci consente di progettare il nostro gate a due qubit in modo che sia il più veloce possibile, ", afferma il coautore principale dello studio Sam Gorman di CQC2T.

"Non solo abbiamo avvicinato i qubit dalla nostra ultima svolta, ma abbiamo imparato a controllare ogni aspetto del design del dispositivo con una precisione sub-nanometrica per mantenere l'alta fedeltà".

Osservazione e controllo delle interazioni qubit in tempo reale

Il team è stato quindi in grado di misurare in tempo reale come si sono evoluti gli stati dei qubit. E, più eccitante, i ricercatori hanno mostrato come controllare la forza di interazione tra due elettroni su una scala temporale di nanosecondi.

"È importante che siamo stati in grado di avvicinare o allontanare gli elettroni del qubit, attivando e disattivando efficacemente l'interazione tra di loro, un prerequisito per una porta quantistica, ", afferma l'altro co-autore principale Yu He.

"Lo stretto confinamento degli elettroni del qubit, unico per il nostro approccio, e il rumore intrinsecamente basso nel nostro sistema ci ha permesso di dimostrare il gate a due qubit più veloce in silicio fino ad oggi."

"La porta quantistica che abbiamo dimostrato, la cosiddetta porta SWAP, è anche ideale per trasferire informazioni quantistiche tra qubit e, quando combinato con un singolo qubit gate, consente di eseguire qualsiasi algoritmo quantistico."

Una cosa di impossibilità fisica? Non più

Il professor Simmons afferma che questo è il culmine di due decenni di lavoro.

"Questo è un enorme passo avanti:essere in grado di controllare la natura al suo livello più piccolo in modo da poter creare interazioni tra due atomi ma anche parlare individualmente tra loro senza disturbare l'altro è incredibile. Molte persone pensavano che non sarebbe stato possibile, " lei dice.

"La promessa è sempre stata che se potessimo controllare il mondo dei qubit su questa scala, sarebbero veloci, e sicuramente lo sono!"