Computadores quânticos capazes de resolver problemas complexos, como design de drogas ou aprendizado de máquina, exigirá milhões de bits quânticos - ou qubits - conectados de forma integrada e projetados para corrigir erros que inevitavelmente ocorrem em sistemas quânticos frágeis.

Agora, uma equipe de pesquisa australiana realizou experimentalmente uma combinação crucial dessas capacidades em um chip de silício, trazendo o sonho de um computador quântico universal para mais perto da realidade.

Eles demonstraram uma plataforma de qubit de silício integrada que combina a endereçabilidade de spin único - a capacidade de 'escrever' informações em um qubit de spin único sem perturbar seus vizinhos - e um processo de 'leitura' de qubit que será vital para a correção de erros quânticos .

Além disso, seu novo design integrado pode ser fabricado com tecnologia bem estabelecida, usada na indústria de computadores existente.

A equipe é liderada pelo Professor da Scientia Andrew Dzurak, da University of New South Wales, em Sydney, um líder de programa no Centro de Excelência para Computação Quântica e Tecnologia de Comunicação (CQC2T) e Diretor do nó NSW do Australian National Fabrication Facility.

Ano passado, Dzurak e seus colegas publicaram um projeto para uma nova arquitetura de chip que poderia permitir que cálculos quânticos fossem realizados usando componentes CMOS de silício (óxido metálico complementar-semicondutor) - a base de todos os chips de computador modernos.

Em seu novo estudo, publicado hoje no jornal Nature Communications , a equipe combina duas técnicas quânticas fundamentais pela primeira vez, confirmando a promessa de sua abordagem.

A equipe de Dzurak também havia mostrado anteriormente que uma plataforma qubit de silício integrada pode operar com endereçamento de spin único - a capacidade de girar um único spin sem perturbar seus vizinhos.

Eles agora mostraram que podem combinar isso com um tipo especial de processo de leitura quântica conhecido como bloqueio de spin de Pauli, um requisito fundamental para códigos de correção de erros quânticos que serão necessários para garantir a precisão em grandes computadores quânticos baseados em spin. Esta nova combinação de leitura de qubit e técnicas de controle é uma característica central de seu projeto de chip quântico.

"Demonstramos a capacidade de fazer a leitura do spin Pauli em nosso dispositivo de qubit de silício, mas, pela primeira vez, também combinamos com a ressonância de spin para controlar o spin, "diz Dzurak.

"Este é um marco importante para nós no caminho para realizar a correção de erros quânticos com qubits de spin, que será essencial para qualquer computador quântico universal. "

"A correção de erros quânticos é um requisito fundamental na criação de computação quântica útil em grande escala porque todos os qubits são frágeis, e você precisa corrigir os erros à medida que eles aparecem, "diz o autor principal, Michael Fogarty, que realizou os experimentos como parte de seu doutorado. pesquisa com o Professor Dzurak na UNSW.

"Mas isso cria uma sobrecarga significativa no número de qubits físicos de que você precisa para fazer o sistema funcionar, "observa Fogarty.

Dzurak diz, "Ao usar a tecnologia CMOS de silício, temos a plataforma ideal para dimensionar os milhões de qubits de que precisaremos, e nossos resultados recentes nos fornecem as ferramentas para alcançar a correção de erros do spin qubit em um futuro próximo. "

“É mais uma confirmação de que estamos no caminho certo. E também mostra que a arquitetura que desenvolvemos na UNSW tem, até aqui, não mostraram obstáculos para o desenvolvimento de um chip de computador quântico funcional. "

"E, O que mais, um que pode ser fabricado usando componentes e processos industriais bem estabelecidos. "

Abordagem única do CQC2T usando silício

Trabalhar com silício é importante não apenas porque o elemento é barato e abundante, mas porque está no centro da indústria global de computadores há quase 60 anos. As propriedades do silício são bem conhecidas e chips contendo bilhões de transistores convencionais são rotineiramente fabricados em grandes instalações de produção.

Três anos atrás, A equipe de Dzurak publicou na revista Natureza a primeira demonstração de cálculos de lógica quântica em um dispositivo de silício real com a criação de uma porta lógica de dois qubit - o bloco de construção central de um computador quântico.

"Esses foram os primeiros passos de bebê, as primeiras demonstrações de como transformar este conceito radical de computação quântica em um dispositivo prático usando componentes que sustentam toda a computação moderna, "diz o professor Mark Hoffman, Reitor de Engenharia da UNSW.

"Nossa equipe agora tem um plano para aumentar drasticamente isso.

"Testamos elementos desse design no laboratório, com resultados muito positivos. Precisamos apenas continuar construindo sobre isso, o que ainda é um grande desafio, mas a base está lá, e é muito encorajador.

"Ainda será necessária uma grande engenharia para trazer a computação quântica à realidade comercial, mas claramente o trabalho que vemos desta equipe extraordinária na CQC2T coloca a Austrália no assento do motorista, " ele adicionou.

Outros autores do novo Nature Communications papel são pesquisadores UNSW Kok Wai Chan, Bas Hensen, Wister Huang, Tuomo Tanttu, Henry Yang, Arne Laucht, Fay Hudson e Andrea Morello, bem como Menno Veldhorst da QuTech e TU Delft, Thaddeus Ladd dos Laboratórios HRL e Kohei Itoh da Universidade Keio do Japão.

Comercializando a propriedade intelectual da CQC2T

Em 2017, um consórcio de governos australianos, a indústria e as universidades estabeleceram a primeira empresa de computação quântica da Austrália a comercializar a propriedade intelectual líder mundial da CQC2T.

Operando em novos laboratórios na UNSW, A Silicon Quantum Computing Pty Ltd (SQC) tem como objetivo produzir um dispositivo de demonstração de 10 qubit em silício até 2022, como o precursor da criação de um computador quântico baseado em silício.

O trabalho de Dzurak e sua equipe será um componente do SQC realizando essa ambição. Cientistas e engenheiros da UNSW da CQC2T estão desenvolvendo abordagens patenteadas paralelas usando átomo único e qubits de pontos quânticos.

Em maio de 2018, o então primeiro-ministro da Austrália, Malcolm Turnbull, e o presidente da França, Emmanuel Macron, anunciou a assinatura de um Memorando de Entendimento (MoU) abordando uma nova colaboração entre a SQC e a organização francesa de pesquisa e desenvolvimento líder mundial, Comissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA).

O MoU delineou planos para formar uma joint venture em tecnologia de computação quântica de silício-CMOS para acelerar e focar o desenvolvimento de tecnologia, bem como para capturar oportunidades de comercialização - reunindo esforços franceses e australianos para desenvolver um computador quântico.

A proposta de joint venture australiano-francesa reunirá a equipe de Dzurak, localizado na UNSW, com uma equipe liderada pela Dra. Maud Vinet da CEA, que são especialistas em tecnologia de fabricação CMOS avançada, e que também demonstraram recentemente um qubit de silício feito usando sua instalação de prototipagem em escala industrial em Grenoble.

Estima-se que as indústrias que abrangem aproximadamente 40% da economia atual da Austrália podem ser significativamente afetadas pela computação quântica.

As aplicações possíveis incluem design de software, aprendizado de máquina, programação e planejamento logístico, Analise financeira, modelagem de mercado de ações, verificação de software e hardware, modelagem climática, desenho e teste rápido de medicamentos, e detecção e prevenção precoce de doenças.