科学家创造了有史以来最安静的半导体量子比特——比之前的记录低10倍

安静Qbit

艺术家们对硅中的原子量子位元的印象,因为材料环境的不完善而产生电荷噪声。信贷:托尼Melov

2018年澳大利亚年度米歇尔·西蒙斯教授领导的研究小组已经采取的又一重要一步,在硅量子计算机的发展。

新南威尔士大学悉尼分校的研究人员已经证明了半导体量子位(或称量子位)的最低噪音水平。这项研究发表在先进材料

量子计算机要想进行有用的计算,量子信息必须接近100%的精确。电荷噪声-由承载量子位元的材料环境的不完美所引起-干扰在量子位元上编码的量子信息,从而影响准确性的信息。

新南威尔士大学量子计算和通信技术中心(CQC)的博士生、该研究的第一作者Ludwik Kranz说:“半导体量子比特中的电荷噪声水平一直是我们实现大规模错误校正量子计算机所需的精度水平的一个关键障碍。2与该中心的子公司硅量子计算(SQC)合作。

“我们的研究表明,我们可以负责的噪音降低到显著低的水平,最大限度地减少其对我们的量子比特的影响,”克兰兹说。

“通过优化硅片的制造工艺,我们实现了比之前记录低10倍的噪音水平。这是所有半导体量子比特中记录到的最低电荷噪声。”

路德维克克兰兹

主要作者卢德维克登克兰兹与用来在硅精确位置和封装的磷原子一个扫描隧道显微镜。信用:CQC2T

创建安静的Qubits.

从电子制造量子托管原子在硅量子比特 - 的做法是西蒙斯教授自2000年以来倡导的 - 是大规模量子计算机有希望的平台。

然而,任何半导体平台(如硅)上的量子位元对电荷噪声都很敏感。

该团队的研究表明,在硅芯片或界面界面上存在缺陷的存在是对电荷噪声的重要贡献者。

“这是一个惊喜,因为我们花了很多时间优化硅芯片的质量,但这表明,即使是附近的一些杂质也会影响噪声,”Kranz说。

通过减少硅芯片中的杂质并将原子远离表面和界面的界面,其中大多数噪声源自源,团队能够产生录制结果。

“我们的研究结果继续显示,硅是一个了不起的材料主量子位。随着我们的工程师对量子位环境的各个方面的能力,我们有系统地证明了在硅原子的量子位是可重复的,速度快而稳定,”教授米歇尔·西蒙斯,CQC主任说:2T.

我们的下一个挑战是转移到同位素纯晶体Si-28,以利用该系统已经证明的长相干时间。”

时间是一切

使用新制造的硅芯片,该球队然后进行一系列的实验,以噪声表征电荷,具有未预料到的结果。

CQC说:“我们使用单个电子晶体管和交换耦合量子位对测量电荷噪声,它们共同提供了一个广泛频率范围内一致的电荷噪声谱。2作者之一山姆·戈尔曼博士。

该测量显示的一个关键因素是影响充电噪音 - 时间。

戈尔曼博士说:“根据我们测量的噪音频谱,我们知道计算时间越长,影响我们系统的噪音就越多。”

“这对未来设备的设计有重大影响,量子操作需要在极短的时间内完成,这样电荷噪声就不会随着时间的推移而变得更糟,给计算带来错误。”

系统正在努力市售的硅量子计算机

执行大规模计算所需的无错误计算量子计算,一个双量子位门 - 任何量子计算机的中央构建块需要一个保真度 - 或准确性 - 超过99%。为了达到这个门槛的保真度量子操作需要是稳定和快速。

在最近发表的一篇论文中物理评论X- 西蒙斯组,使用其原子精度的能力,表现出在1微秒到读出这些量子位的能力。

“这项研究结合我们的最低电荷噪声结果表明,在硅中实现99.99%的保真度是可能的,”Simmons教授说,他也是硅量子计算(SQC)的创始人。

“我们的团队现在正致力于在单一设备上实现所有这些关键结果——快速、稳定、高保真和长相干时间——向全尺寸硅量子处理器迈进了一大步。”

西蒙斯教授与SQC合作建立的第一个有用的,商用量子计算机中的硅。同场CQC2在新南威尔士大学悉尼校区,SQC的目标是证明到2023年可靠地生产10量子位原型量子集成处理器所需的能力。

Simmons教授说:“我们团队的结果进一步证实了我们独特的方法——在硅中精确定位磷原子——在构建硅量子计算机商业化所需的误差校正、大规模架构方面具有极其广阔的前景。”

参考:

“开拓单晶环境,以最小化噪声充电对量子位的硅”,由路德维克克兰兹,塞缪尔·基思戈尔曼,Brandur Thorgrimsson,玉盒,丹尼尔·基思,约里斯·格哈德·凯泽和米歇尔伊冯娜·西蒙斯,2020年8月23日,先进材料
DOI: 10.1002 / adma.202003361

“Single-Shot Spin Readout in Semiconductors Near the Shot-Noise Sensitivity Limit” by D. Keith, M. G. House, M. B. Donnelly, T. F. Watson, B. Weber and M. Y. Simmons, 3 October 2019,物理评论X
DOI:10.1103 / physrevx.9.041003

1条评论关于“科学家创造了有史以来最安静的半导体量子比特——比之前的记录低10倍”

  1. Sekar Vedaraman|2020年10月10日22:58|回复

    很有意思。

    硅的广泛使用。这显然是量子计算的首选。

    未来的挑战。

    硅芯片和微处理器无错量子计算 - 从99.99%艾柯雷移动到100%的准确率是下一个挑战。

    降低收费噪音为零。低噪音可能是不够的。

    提高纠错方法论,以消除信息处理的所有错误。

    使用量子计算解决问题的算法减少计算时间。单纯形?快捷键?

    探索其他元素,如锗,和元素周期表第14列的其他元素,为潜在的芯片制造?

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