Ricercatori del Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC ² T) lavorando con Silicon Quantum Computing (SQC) hanno individuato il "punto debole" per posizionare i qubit nel silicio per aumentare i processori quantistici basati su atomi.

Creazione di bit quantistici, o qubit, posizionando con precisione atomi di fosforo nel silicio, il metodo introdotto da CQC ² T Director, la professoressa Michelle Simmons, è un approccio leader a livello mondiale nello sviluppo di un computer quantistico al silicio.

Nella ricerca del team, pubblicato oggi in Comunicazioni sulla natura , il posizionamento di precisione si è dimostrato essenziale per lo sviluppo di interazioni robuste, o accoppiamenti, tra i qubit.

"Abbiamo individuato la posizione ottimale per creare riproducibili, interazioni forti e veloci tra i qubit, "dice il professor Sven Rogge, che ha condotto la ricerca.

"Abbiamo bisogno di queste interazioni robuste per progettare un processore multi-qubit e, in definitiva, un utile computer quantistico."

Le porte a due qubit, l'elemento centrale di un computer quantistico, utilizzano le interazioni tra coppie di qubit per eseguire operazioni quantistiche. Per i qubit atomici in silicio, ricerche precedenti hanno suggerito che per determinate posizioni nel cristallo di silicio, le interazioni tra i qubit contengono una componente oscillatoria che potrebbe rallentare le operazioni di gate e renderle difficili da controllare.

"Per quasi due decenni, la potenziale natura oscillatoria delle interazioni è stata prevista per essere una sfida per lo scale-up, "dice il prof. Rogge.

"Ora, attraverso nuove misurazioni delle interazioni qubit, abbiamo sviluppato una profonda comprensione della natura di queste oscillazioni e proponiamo una strategia di posizionamento di precisione per rendere robusta l'interazione tra i qubit. Questo è un risultato che molti credevano non fosse possibile".

Trovare il "punto debole" nelle simmetrie di cristallo

I ricercatori affermano di aver scoperto che il punto esatto in cui si posizionano i qubit è essenziale per creare interazioni forti e coerenti. Questa intuizione cruciale ha implicazioni significative per la progettazione di processori su larga scala.

"Il silicio è un cristallo anisotropo, il che significa che la direzione in cui sono posti gli atomi può influenzare significativamente le interazioni tra di loro, "dice il dottor Benoit Voisin, autore principale della ricerca.

"Mentre sapevamo già di questa anisotropia, nessuno aveva esplorato in dettaglio come potesse essere effettivamente utilizzato per mitigare la forza di interazione oscillante".

"Abbiamo scoperto che c'è un angolo speciale, o punto dolce, all'interno di un particolare piano del cristallo di silicio dove l'interazione tra i qubit è più resiliente. È importante sottolineare che questo punto debole è ottenibile utilizzando le tecniche di litografia esistenti del microscopio a effetto tunnel a scansione (STM) sviluppate all'UNSW."

"Alla fine, sia il problema che la sua soluzione derivano direttamente dalle simmetrie dei cristalli, quindi questa è una bella svolta."

Utilizzando un STM, il team è in grado di mappare la funzione d'onda degli atomi in immagini 2-D e identificare la loro esatta posizione spaziale nel cristallo di silicio, dimostrata per la prima volta nel 2014 con una ricerca pubblicata su Materiali della natura e avanzato in un 2016 Nanotecnologia della natura carta.

Nelle ultime ricerche, il team ha utilizzato la stessa tecnica STM per osservare i dettagli su scala atomica delle interazioni tra i qubit atomici accoppiati.

"Utilizzando la nostra tecnica di imaging dello stato quantistico, abbiamo potuto osservare per la prima volta sia l'anisotropia nella funzione d'onda che l'effetto di interferenza direttamente nel piano:questo è stato il punto di partenza per capire come si svolge questo problema, " dice il dottor Voisin.

"Abbiamo capito che dovevamo prima elaborare l'impatto di ciascuno di questi due ingredienti separatamente, prima di guardare il quadro completo per risolvere il problema, ecco come potremmo trovare questo punto debole, che è prontamente compatibile con la precisione del posizionamento atomico offerta dalla nostra tecnica di litografia STM."

Costruire un computer quantistico al silicio atomo per atomo

Scienziati UNSW al CQC ² T stanno guidando il mondo nella corsa per costruire computer quantistici basati su atomi in silicio. I ricercatori del CQC ² T, e la relativa società di commercializzazione SQC, sono l'unica squadra al mondo che ha la capacità di vedere la posizione esatta dei propri qubit allo stato solido.

Nel 2019, il gruppo Simmons ha raggiunto un'importante pietra miliare nel suo approccio al posizionamento di precisione:il team ha prima costruito il gate a due qubit più veloce in silicio posizionando due qubit atomici vicini, e quindi osservando e misurando in modo controllabile i loro stati di spin in tempo reale. La ricerca è stata pubblicata su Natura .

Ora, con le ultime novità del team Rogge, i ricercatori di CQC ² T e SQC sono posizionati per utilizzare queste interazioni in sistemi su larga scala per processori scalabili.

"Essere in grado di osservare e posizionare con precisione gli atomi nei nostri chip di silicio continua a fornire un vantaggio competitivo per la fabbricazione di computer quantistici in silicio, "dice il prof. Simmons.

I Simmons combinati, I team di Rogge e Rahman stanno 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 costruire la massima qualità, processore quantistico più stabile.