El enfoque único australiano de crear bits cuánticos a partir de átomos individuales posicionados con precisión en silicio está obteniendo grandes recompensas, con científicos liderados por Sydney de la UNSW que muestran por primera vez que pueden hacer que dos de estos qubits de átomos "hablen" entre sí.
El equipo, dirigido por la profesora de la UNSW Michelle Simmons, directora del Centro de Excelencia para la Tecnología de Computación y Comunicación Cuántica, o CQC2T, es el único grupo en el mundo que tiene la capacidad de ver la posición exacta de sus qubits enel estado sólido
El equipo de Simmons crea los qubits atómicos posicionando y encapsulando con precisión átomos individuales de fósforo dentro de un chip de silicio. La información se almacena en el espín cuántico de un solo electrón de fósforo.
El último avance del equipo, la primera observación de interacciones controlables entre dos de estos qubits, se publica en la revista Comunicaciones de la naturaleza . Sigue a otros dos avances recientes utilizando este enfoque único para construir una computadora cuántica.
Al optimizar su proceso de fabricación de nano, el equipo de Simmons también ha creado recientemente circuitos cuánticos con el ruido eléctrico más bajo registrado de cualquier dispositivo semiconductor.
Y han creado un qubit de giro de electrones con la vida útil más larga jamás registrada en un dispositivo nanoeléctrico: 30 segundos.
"Los resultados combinados de estos tres trabajos de investigación confirman las perspectivas extremadamente prometedoras para construir sistemas de múltiples qubits usando nuestros qubits atómicos", dice Simmons.
Australiano del año 2018 inspirado en Richard Feynman
Simmons, quien fue nombrada Australiana del Año 2018 en enero por su investigación pionera en computación cuántica, dice que el innovador trabajo de su equipo está inspirado en el fallecido físico Richard Feynman.
"Feynman dijo: 'Lo que no puedo crear, no lo entiendo'. Estamos implementando esa estrategia sistemáticamente, desde cero, átomo por átomo", dice Simmons.
"Al colocar nuestros átomos de fósforo en el silicio para formar un qubit, hemos demostrado que podemos usar una sonda de escaneo para medir directamente la función de onda del átomo, que nos dice su ubicación física exacta en el chip. Somos el único grupoen el mundo que realmente puede ver dónde están nuestros qubits.
"Nuestra ventaja competitiva es que podemos colocar nuestro qubit de alta calidad donde lo queremos en el chip, ver lo que hemos hecho y luego medir cómo se comporta. Podemos agregar otro qubit cerca y ver cómo los dos se muevenlas funciones interactúan. Y luego podemos comenzar a generar réplicas de los dispositivos que hemos creado ", dice ella.
Para el nuevo estudio, el equipo colocó dos qubits, uno hecho con dos átomos de fósforo y otro con un solo átomo de fósforo, con 16 nanómetros de separación en un chip de silicio.
"Utilizando electrodos que fueron modelados en el chip con técnicas de precisión similares, pudimos controlar las interacciones entre estos dos qubits vecinos, por lo que los espines cuánticos de sus electrones se correlacionaron", dice el coautor principal del estudio, el Dr. Matthew Broome, anteriormente de UNSW y ahora en la Universidad de Copenhague.
"Fue fascinante verlo. Cuando el giro de un electrón apunta hacia arriba, el otro apunta hacia abajo y viceversa.
"Este es un hito importante para la tecnología. Este tipo de correlaciones de espín son el precursor de los estados entrelazados que son necesarios para que una computadora cuántica funcione y realice cálculos complejos", dice.
El coautor principal del estudio, Sam Gorman de UNSW, dice: "La teoría había predicho que los dos qubits tendrían que estar separados por 20 nanómetros para ver este efecto de correlación. Pero descubrimos que ocurre a solo 16 nanómetros de distancia".
"En nuestro mundo cuántico, esta es una gran diferencia", dice. "También es brillante, como experimentalista, desafiar la teoría".
Liderando la carrera para construir una computadora cuántica en silicio
Los científicos e ingenieros de UNSW en CQC2T lideran el mundo en la carrera por construir una computadora cuántica en silicio. Están desarrollando enfoques paralelos patentados que utilizan qubits de un solo átomo y puntos cuánticos.
"Esperamos que ambos enfoques funcionen bien. Eso sería fantástico para Australia", dice Simmons.
El equipo de UNSW ha optado por trabajar en silicio porque se encuentra entre los entornos más estables y fáciles de fabricar en los que alojar qubits, y su larga historia de uso en la industria informática convencional significa que existe un vasto conocimiento sobre este material.
En 2012, el equipo de Simmons, que utiliza microscopios de túnel de exploración para colocar los átomos de fósforo individuales en silicio y luego la epitaxia de haz molecular para encapsularlos, creó los cables conductores más estrechos del mundo, solo cuatro átomos de fósforo y un átomo de altura.
En un artículo reciente publicado en la revista Nano Letters, utilizaron técnicas de control de escala atómica similares para producir circuitos de aproximadamente 2-10 nanómetros de ancho y mostraron que tenía el ruido eléctrico más bajo registrado de cualquier circuito de semiconductores. Este trabajo se realizó conjuntamente con SaquibShamim y Arindam Ghosh del Instituto Indio de Ciencia.
"Es ampliamente aceptado que el ruido eléctrico de los circuitos que controla los qubits será un factor crítico para limitar su rendimiento", dice Simmons.
"Nuestros resultados confirman que el silicio es una opción óptima, ya que su uso evita el problema que enfrentan la mayoría de los otros dispositivos de tener una mezcla de diferentes materiales, incluidos dieléctricos y metales de superficie, que pueden ser la fuente y amplificar el ruido eléctrico.
"Con nuestro enfoque de precisión hemos logrado lo que creemos que es el nivel de ruido eléctrico más bajo posible para un nanodispositivo electrónico en silicio, tres órdenes de magnitud más bajo que incluso usar nanotubos de carbono", dice ella.
En otro artículo reciente en Science Advances, el equipo de Simmons mostró que sus qubits de precisión en silicio podían ser diseñados para que el espín electrónico tuviera una vida útil récord de 30 segundos, hasta 16 veces más de lo que se informó anteriormente. El primer autor, el Dr. ThomasWatson, estaba en UNSW realizando su doctorado y ahora está en la Universidad Tecnológica de Delft.
"Este es un tema candente de investigación", dice Simmons. "La vida útil del espín electrónico, antes de que comience a decaer, por ejemplo, de arriba a abajo, es vital. Cuanto más larga sea la vida, másya podemos almacenar información en su estado cuántico "
En el mismo documento, mostraron que estas largas vidas les permitieron leer los espines electrónicos de dos qubits en secuencia con una precisión del 99.8 por ciento para cada uno, que es el nivel requerido para la corrección práctica de errores en un procesador cuántico.
primera empresa de computación cuántica de Australia
En lugar de realizar cálculos uno tras otro, como una computadora convencional, una computadora cuántica funcionaría en paralelo y sería capaz de ver todos los resultados posibles al mismo tiempo. Sería capaz de resolver problemas en minutos que de otro modo tomaríanmiles de años.
El año pasado, la primera compañía de computación cuántica de Australia, respaldada por un consorcio único de gobiernos, industria y universidades, se estableció para comercializar la investigación líder mundial de CQC2T.
Operando desde nuevos laboratorios en UNSW, Silicon Quantum Computing Pty Ltd tiene el objetivo de producir un dispositivo de demostración de 10 qubit en silicio para 2022, como el precursor de una computadora cuántica basada en silicio.
El gobierno australiano ha invertido $ 26 millones en la empresa de $ 83 millones a través de su Agenda Nacional de Innovación y Ciencia, con $ 25 millones adicionales provenientes de UNSW, $ 14 millones del Commonwealth Bank of Australia, $ 10 millones de Telstra y $ 8.7 millones de NSWGobierno.
Se estima que las industrias que comprenden aproximadamente el 40% de la economía actual de Australia podrían verse significativamente afectadas por la computación cuántica. Las posibles aplicaciones incluyen diseño de software, aprendizaje automático, programación y planificación logística, análisis financiero, modelado del mercado de valores, verificación de software y hardware, climamodelado, diseño y prueba rápida de medicamentos, y detección y prevención temprana de enfermedades.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Nueva Gales del Sur . Original escrito por Deborah Smith. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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