Исследование, проведенное командой профессора Эндрю Дзурака из UNSW Engineering, было опубликовано сегодня в журнале Nature.
Эксперименты проводились Вистером Хуанг, аспирантом последнего курса в области электротехники, и доктором Генри Янгом, старшим научным сотрудником UNSW.
«Все квантовые вычисления могут состоять из операций с одним кубитом и операций с двумя кубитами – они являются центральными строительными блоками квантовых вычислений», – говорит профессор Дзурак.
"Получив их, вы можете выполнять любые вычисления, которые захотите, но точность обеих операций должна быть очень высокой."
В 2015 году команда Дзурака была первой, кто построил квантовый логический вентиль на кремнии, что сделало возможными вычисления между двумя кубитами информации и тем самым устранило решающее препятствие на пути к созданию кремниевых квантовых компьютеров.
С тех пор ряд групп по всему миру продемонстрировали двухкубитные вентили в кремнии, но до сегодняшней знаменательной статьи истинная точность таких двухкубитных вентилей была неизвестна.
Точность имеет решающее значение для квантового успеха
«Верность – критический параметр, который определяет, насколько жизнеспособна технология кубитов – вы можете задействовать огромную мощность квантовых вычислений, только если операции с кубитами почти идеальны и допускаются только крошечные ошибки», – говорит д-р Янг.
В этом исследовании команда внедрила и выполнила сравнительный анализ точности на основе Клиффорда – метод, который может оценить точность кубитов на всех технологических платформах – демонстрируя среднюю точность двухкубитных вентилей 98%.
«Мы достигли такой высокой точности, охарактеризовав и уменьшив первичные источники ошибок, тем самым улучшив точность гейтов до такой степени, что рандомизированные контрольные последовательности значительной длины – более 50 операций вентилей – могут быть выполнены на нашем двухкубитном устройстве», – говорит Г-н Хуанг, ведущий автор статьи.
Квантовые компьютеры будут иметь широкий спектр важных приложений в будущем благодаря их способности выполнять гораздо более сложные вычисления с гораздо большей скоростью, включая решение задач, которые просто выходят за рамки возможностей сегодняшних компьютеров.
«Но для большинства этих важных приложений потребуются миллионы кубитов, и вам придется исправлять квантовые ошибки, даже если они небольшие», – говорит профессор Дзурак.
"Чтобы было возможно исправление ошибок, кубиты сами по себе должны быть очень точными, поэтому очень важно оценить их точность."
«Чем точнее ваши кубиты, тем меньше вам потребуется – и, следовательно, тем скорее мы сможем ускорить разработку и производство, чтобы реализовать полномасштабный квантовый компьютер."
Кремний подтвержден как правильный путь
Исследователи говорят, что исследование является еще одним доказательством того, что кремний как технологическая платформа идеально подходит для масштабирования до большого количества кубитов, необходимых для универсальных квантовых вычислений. Учитывая, что кремний находится в центре глобальной компьютерной индустрии почти 60 лет, его свойства уже хорошо изучены, и существующие производственные мощности кремниевых чипов могут легко адаптироваться к этой технологии.
«Если бы наше значение точности было слишком низким, это означало бы серьезные проблемы для будущего кремниевых квантовых вычислений. Тот факт, что он составляет около 99%, ставит его на уровень, который нам нужен, и есть отличные перспективы для дальнейшего улучшения.
Наши результаты сразу же показывают, как мы и предсказывали, что кремний является жизнеспособной платформой для полномасштабных квантовых вычислений », – говорит профессор Дзурак.
«Мы думаем, что в ближайшем будущем мы достигнем значительно более высокой точности, открывая путь к полномасштабным отказоустойчивым квантовым вычислениям.
Сейчас мы находимся на грани двухкубитной точности, достаточной для квантовой коррекции ошибок."
В другой статье, недавно опубликованной в журнале Nature Electronics и представленной на ее обложке, в которой доктор Янг является ведущим автором, та же команда также достигла рекорда в мире по самому точному 1-кубитному затвору в кремниевой квантовой точке с замечательным результатом. верность 99.96%.
«Помимо естественных преимуществ кремниевых кубитов, одной из ключевых причин, по которой мы смогли добиться таких впечатляющих результатов, является фантастическая команда, которую мы имеем здесь, в UNSW. Моя ученица Вистер и доктор Ян невероятно талантливы.
Они лично разработали сложные протоколы, необходимые для этого сравнительного эксперимента », – говорит профессор Дзурак.
Другими авторами сегодняшнего доклада Nature являются исследователи UNSW Туомо Тантту, Росс Леон, Фэй Хадсон, Андреа Морелло и Арне Лаухт, а также бывшие члены команды Дзурака Кок Вай Чан, Бас Хенсен, Майкл Фогарти и Джейсон Хванг, а также профессор Кохей Ито из Японии.
Университет Кейо предоставил для проекта кремниевые пластины, обогащенные изотопами.
Декан инженерного факультета UNSW, профессор Марк Хоффман, говорит, что этот прорыв является еще одним доказательством того, что эта ведущая в мире команда находится в процессе перехода квантовых вычислений через порог от теоретического к реальному.
«Квантовые вычисления – это космическая гонка этого века, и Сидней лидирует», – говорит профессор Хоффман.
«Эта веха – еще один шаг на пути к созданию крупномасштабного квантового компьютера – и он подтверждает тот факт, что кремний – чрезвычайно привлекательный подход, который, как мы считаем, первым обеспечит UNSW."
Спиновые кубиты на основе кремниевой КМОП-технологии – особого метода, разработанного группой профессора Дзурака – имеют большие перспективы для квантовых вычислений из-за их длительного времени когерентности и возможности использовать существующие технологии интегральных схем для производства большого количества кубитов, необходимых для практических целей. Приложения.
Профессор Дзурак возглавляет проект по развитию технологии кремниевых КМОП-кубитов с Silicon Quantum Computing, первой австралийской компанией, занимающейся квантовыми вычислениями.
«Наш последний результат приближает нас к коммерциализации этой технологии – моя группа занимается созданием квантового чипа, который можно использовать в реальных приложениях», – говорит профессор Дзурак.
Полномасштабный квантовый процессор будет широко применяться в сферах финансов, безопасности и здравоохранения – он поможет идентифицировать и разрабатывать новые лекарства за счет значительного ускорения компьютерного проектирования фармацевтических соединений, он может способствовать разработке новых, более легких и прочных материалы от бытовой электроники до самолетов и более быстрый поиск информации в больших базах данных.