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

Логические элементы с двумя кубитами являются центральными строительными блоками любого квантового компьютера. Версия устройства команды UNSW (University of New South Wales, Sydney) - самая быстрая из когда-либо продемонстрированных на основе кремния, проделывает минимальную операцию за 0,8 наносекунды, что примерно в 200 раз быстрее, чем другие существующие спин-базированные двухкубитные элементы.

В подходе Мишель Симмонс основной является двухкубитный логический элемент, который позволяет осуществлять операции между двумя электронными спинами, по аналогии, с классическими логическими элементами, которые играют свою роль в традиционной электронике. Впервые команда смогла построить один элемент с двумя кубитами, разместив два атомных кубита максимально близко друг к другу, чем когда-либо прежде, а затем в реальном времени наблюдая, меняя и измеряя их спиновые состояния.

Уникальный подход команды к квантовым вычислениям требует не только размещения отдельных атомных кубитов в кремнии, но и их общей связи в интегральной схеме, которая позволяет управлять и считывать кубиты на наномасштабе. Такая концепция требует исключительной точности, реализация которой долго считалась невозможной. Но благодаря ее реализации исследователи теперь могут применить данный подход для создания масштабируемых процессоров.

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

«Атомные кубиты являются мировым рекордом среди самых больших времен когерентности кубита в кремнии с самой высокой точностью», - сообщила 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, разработанных для подключения к полупроводниковому кубиту на настоящий момент.

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

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

Научный декан UNSW, профессор Эмма Джонстон А.О., сообщила, что это ключевое исследование дополнительно показало, насколько новаторскими являются исследования профессора Симмонс.

«Это была одна из последних собранных команд Мишель, которая продемонстрировала то, 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 заставить их работать вместе.

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

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

Наблюдение и контроль за взаимодействием кубитов в режиме реального времени

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

«Важно то, что мы смогли приблизить электроны кубитов или удалить друг от друга, эффективно включив и выключив взаимодействие между ними, что является необходимым условием для квантовых логических элементов», - сообщил другой ведущий соавтор Ю. Хе.

«Большой контроль электронов кубита, уникальный 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»

Невозможно физически? Уже нет

Профессор Симмонс сообщила, что это кульминация двухлетней работы.

«Это огромный шаг вперед: способность контролировать природу на самом маленьком уровне для того 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», пояснила она.

Где здесь 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 большой стабильности.

Потенциальные приложения таких систем включают в себя: 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.

Оригинал статьи прикреплен к записи.

Пояснения к некоторым изображениям из статьи:

Рисунок 1.

Высокоточный снимок независимых двух донорных кубитов на схеме.

Рисунок 2.

Электростатический контроль над электронно-обменным взаимодействием, графики распределений параметров.

Рисунок 3.

Обменные когерентные спин-спиновые колебания – результаты их замеров и графики распределения параметров.

Источник: www.sciencedaily.com

Комментарии: