В 200 раз быстрее, чем когда-либо прежде: самая быстрая из всех квантовых операций

Физики создали сверхбыструю версию центрального стандартного блока квантового компьютера. Исследование — это важный результат видения, впервые изложенного учеными 20 лет назад.

Группа ученых во главе с австралийцем года 2018 года профессором Мишель Симмонс достигла первых двухбитовых гейтов между атомными кубитами в кремнии, что стало важной вехой в стремлении команды создать квантовый компьютер атомного масштаба. Ключевое исследование было опубликовано сегодня в журнале Nature.

Ворота с двумя кубитами являются центральным строительным блоком любого квантового компьютера — и версия команды UNSW — самая быстрая из когда-либо продемонстрированных в кремнии, завершая операцию за 0,8 наносекунды, что примерно в 200 раз быстрее, чем другие существующие вращения двухкубитные ворота.

В групповом подходе Симмонса двухкубитный вентиль — это операция между двумя электронными спинами — сравнимая с ролью, которую классические логические вентили играют в традиционной электронике. Впервые команда смогла построить ворота с двумя кубитами, разместив два атомных кубита ближе друг к другу, чем когда-либо прежде, а затем — в реальном времени — контролируемо наблюдая и измеряя их спиновые состояния.

Уникальный подход команды к квантовым вычислениям требует не только размещения отдельных атомных кубитов в кремнии, но и всех связанных с ними схем для инициализации, управления и считывания кубитов на наноуровне — концепции, которая требует такой исключительной точности, о которой долго думали быть невозможным. Но с этой важной вехой команда теперь может перевести свою технологию в масштабируемые процессоры.

Профессор Симмонс, директор Центра передовых технологий в области квантовых вычислений и коммуникационных технологий (CQC2T) и основатель Silicon Quantum Computing Pty Ltd., говорит, что прошедшее десятилетие предыдущих результатов идеально настроило команду, чтобы сдвинуть границы того, что считается" по-человечески возможно."

«Атомные кубиты являются мировым рекордом для самых длинных времен когерентности кубита в кремнии с самой высокой точностью», — говорит она. «Используя наши уникальные технологии изготовления, мы уже продемонстрировали способность считывать и инициализировать одноэлектронные спины на атомных кубитах в кремнии с очень высокой точностью. Мы также продемонстрировали, что наша схема атомного масштаба имеет самый низкий электрический шум среди всех систем, пока разработан для подключения к полупроводниковому кубиту.

«Оптимизация каждого аспекта конструкции устройства с атомной точностью теперь позволила нам создать действительно быстрые, высокоточные двухбитовые логические элементы, которые являются фундаментальным строительным блоком масштабируемого квантового компьютера на основе кремния.

«Мы действительно показали, что можно управлять миром в атомном масштабе — и что преимущества этого подхода являются трансформационными, включая замечательную скорость, с которой работает наша система».

Научный декан UNSW, профессор Эмма Джонстон А.О., говорит, что этот ключевой документ дополнительно показывает, насколько новаторскими являются исследования профессора Симмонса.

«Это была одна из последних вех команды Мишель, чтобы продемонстрировать, что они действительно могут создать квантовый компьютер, используя атомные кубиты. Их следующая главная цель — построить квантовую интегральную схему на 10 кубитов — и мы надеемся, что они достигнут этого в течение 3-4 лет»."

Начало и сближение с кубитами — проектирование с точностью до тысячных долей метра

Используя сканирующий туннельный микроскоп для точного размещения и инкапсулирования атомов фосфора в кремнии, команде сначала нужно было определить оптимальное расстояние между двумя кубитами, чтобы выполнить важнейшую операцию.

«Наша технология изготовления позволяет нам размещать кубиты именно там, где мы хотим. Это позволяет нам спроектировать наши ворота с двумя кубитами как можно быстрее», — говорит соавтор исследования Сэм Горман из CQC2T.

«Мы не только сблизили кубиты с момента нашего последнего прорыва, но и научились контролировать каждый аспект конструкции устройства с точностью до субнанометра для поддержания высокой точности».

Наблюдение и контроль взаимодействий кубитов в режиме реального времени

Затем команда смогла измерить, как состояния кубитов развивались в режиме реального времени. И, что самое интересное, исследователи показали, как контролировать силу взаимодействия между двумя электронами на нано-секундной шкале времени.

«Важно то, что мы смогли приблизить электроны кубита ближе или дальше друг от друга, эффективно включив и выключив взаимодействие между ними, что является необходимым условием для квантовых ворот», — говорит другой ведущий соавтор Ю. Хе.

«Тесное ограничение электронов кубита, уникальное для нашего подхода, и низкий уровень шума в нашей системе позволили нам продемонстрировать самый быстрый на сегодняшний день вентиль с двумя кубитами в кремнии».

«Квантовый вентиль, который мы продемонстрировали, так называемый вентиль SWAP, также идеально подходит для передачи квантовой информации между кубитами — и в сочетании с единичным вентилем кубитов позволяет запускать любой квантовый алгоритм».

Вещь физической невозможности? Уже нет

Профессор Симмонс говорит, что это кульминация двухлетней работы.

«Это огромный шаг вперед: способность контролировать природу на самом маленьком уровне, чтобы мы могли создавать взаимодействия между двумя атомами, а также индивидуально общаться с каждым, не мешая другому, невероятна. Многие думали, что это не будет возможно", говорит она.

«Обещанием всегда было то, что если бы мы могли контролировать мир кубитов в таких масштабах, они были бы быстрыми, и они уверены!»

Что такое кубиты?

В подходе профессора Мишель Симмонс квантовые биты (или кубиты) создаются из электронов, размещенных на атомах фосфора в кремнии. Создание кубитов путем точного позиционирования и инкапсуляции отдельных атомов фосфора в кремниевой микросхеме — это уникальный австралийский подход, который команда профессора Симмонса возглавляет во всем мире. Эти типы кубитов являются многообещающей платформой для крупномасштабных квантовых компьютеров благодаря их длительной стабильности.

Квантовый потенциал: работающий крупномасштабный квантовый компьютер способен трансформировать информационную экономику и создать отрасли будущего, решая в течение нескольких часов или минут проблемы, которые потребуют обычных компьютеров — даже суперкомпьютеров, — столетия и решая иные труднопреодолимые задачи. проблемы, которые даже суперкомпьютеры не могли решить за полезный срок. Потенциальные приложения включают машинное обучение, планирование и логистическое планирование, финансовый анализ, моделирование фондового рынка, проверку программного и аппаратного обеспечения, быстрое проектирование и тестирование лекарств, а также раннее обнаружение и профилактику заболеваний.