Rappresentazione artistica di un qubit atomo in silicio protetto dal rumore di carica causato da imperfezioni nell'ambiente materiale. Credito:Tony Melov
I ricercatori dell'UNSW Sydney hanno dimostrato il livello di rumore più basso mai registrato per un bit quantistico a semiconduttore, o qubit. La ricerca è stata pubblicata su Materiale avanzato .
Affinché i computer quantistici possano eseguire calcoli utili, le informazioni quantistiche devono essere accurate al 100%. Il rumore di carica, causato da imperfezioni nell'ambiente materiale che ospita i qubit, interferisce con le informazioni quantistiche codificate sui qubit, pregiudicare l'accuratezza delle informazioni.
"Il livello di rumore di carica nei qubit dei semiconduttori è stato un ostacolo fondamentale per raggiungere i livelli di precisione di cui abbiamo bisogno per i computer quantistici corretti per errori su larga scala, ", afferma l'autore principale Ludwik Kranz, un dottorato di ricerca studente presso il Center for Quantum Computation and Communication Technology (CQC) dell'UNSW 2 T) lavorare con la società spin off del Centro Silicon Quantum Computing (SQC).
"La nostra ricerca ha dimostrato che possiamo ridurre il rumore della carica a un livello significativamente basso, minimizzando l'impatto che ha sui nostri qubit, "dice Kranz.
"Ottimizzando il processo di fabbricazione del chip di silicio, abbiamo raggiunto un livello di rumore 10 volte inferiore a quello precedentemente registrato. Questo è il rumore di carica più basso registrato di qualsiasi qubit a semiconduttore".
Creare qubit silenziosi
I qubit realizzati da elettroni ospitati su qubit atomici nel silicio, l'approccio che il prof. Simmons ha sostenuto dal 2000, sono una piattaforma promettente per i computer quantistici su larga scala.
Però, qubit ospitati in qualsiasi piattaforma di semiconduttori come silicio, sono sensibili al rumore della carica.
La ricerca del team ha rivelato che la presenza di difetti all'interno del chip di silicio o all'interfaccia con la superficie contribuisce in modo significativo al rumore di carica.
"Questa è stata una sorpresa, poiché abbiamo dedicato molto tempo all'ottimizzazione della qualità del nostro chip di silicio, ma ciò ha dimostrato che anche alcune impurità nelle vicinanze possono influire sul rumore, "dice Kranz.
Riducendo le impurità nel chip di silicio e posizionando gli atomi lontano dalla superficie e dalle interfacce dove ha origine la maggior parte del rumore, la squadra è stata in grado di produrre il risultato da record.
"I nostri risultati continuano a dimostrare che il silicio è un materiale eccezionale per ospitare i qubit. Con la nostra capacità di progettare ogni aspetto dell'ambiente dei qubit, stiamo sistematicamente dimostrando che i qubit atomici nel silicio sono riproducibili, veloce e stabile, "dice la prof.ssa Michelle Simmons, Direttore CQC 2 T.
"La nostra prossima sfida è passare al Si-28 cristallino isotopicamente puro per sfruttare i lunghi tempi di coerenza già dimostrati in questo sistema".
L'autore principale Ludwik Kranz con un microscopio a scansione a effetto tunnel utilizzato per posizionare e incapsulare con precisione atomi di fosforo nel silicio Credito:CQC2T
Il tempismo è tutto
Utilizzando il chip di silicio appena fabbricato, il team ha quindi eseguito una serie di esperimenti per caratterizzare il rumore di carica, con risultati imprevisti.
"Abbiamo misurato il rumore di carica utilizzando sia un singolo transistor elettronico che una coppia di qubit accoppiati in scambio che insieme forniscono uno spettro di rumore di carica coerente su un'ampia gamma di frequenze, " dice CQC 2 T co-autore Dr. Sam Gorman.
Le misurazioni hanno rivelato un fattore chiave che influisce sul rumore della carica:il tempo.
"Dallo spettro del rumore che abbiamo misurato, sappiamo che più lungo è il calcolo, più il rumore influisce sul nostro sistema, " dice il dottor Gorman.
"Ciò ha importanti implicazioni per la progettazione di dispositivi futuri, con operazioni quantistiche che devono essere completate in tempi eccezionalmente brevi in modo che il rumore di carica non peggiori nel tempo, aggiungendo errori al calcolo."
Lavorare sistematicamente verso un computer quantistico al silicio disponibile in commercio
Per eseguire calcoli privi di errori richiesti per il calcolo quantistico su larga scala, un cancello a due qubit, l'elemento centrale di qualsiasi computer quantistico, richiede una fedeltà, o precisione, superiore al 99%. Per raggiungere questa soglia di fedeltà le operazioni quantistiche devono essere stabili e veloci.
In un recente articolo, pubblicato in Revisione fisica X - il gruppo Simmons, usando la loro capacità di precisione atomica, ha dimostrato la capacità di leggere i qubit in 1 microsecondo.
"Questa ricerca combinata con i nostri risultati sul rumore di carica più basso mostra che è possibile ottenere una fedeltà del 99,99% in qubit atomici in silicio, "dice il prof. Simmons, che è anche il fondatore di SQC.
"Il nostro team sta ora lavorando per fornire tutti questi risultati chiave su un singolo dispositivo, veloce, stabile, alta fedeltà e con lunghi tempi di coerenza, facendo un importante passo avanti verso un processore quantistico su larga scala in silicio."
Il professor Simmons sta lavorando con SQC per costruire il primo utile, computer quantistico commerciale in silicio. Co-localizzato con CQC 2 T nel campus dell'UNSW Sydney, L'obiettivo di SQC è dimostrare la capacità necessaria per produrre in modo affidabile un prototipo di processore quantistico integrato da 10 qubit entro il 2023.
"I risultati del nostro team confermano ulteriormente che il nostro approccio unico, di posizionare con precisione gli atomi di fosforo nel silicio, è una prospettiva estremamente promettente per la costruzione di strumenti corretti per gli errori, architettura su larga scala necessaria per la commercializzazione di computer quantistici al silicio, "dice il prof. Simmons.
