Um resultado recorde mundial na redução de erros em 'qubits de spin' de semicondutores, um tipo de bloco de construção para computadores quânticos, foi alcançada usando o trabalho teórico de físicos quânticos da Universidade de Sydney Nano Institute e School of Physics.

O resultado experimental dos engenheiros da University of New South Wales demonstrou taxas de erro tão baixas quanto 0,043 por cento, menor do que qualquer outro qubit de spin. O artigo de pesquisa conjunta das equipes de Sydney e UNSW foi publicado esta semana em Nature Electronics e é a matéria de capa da revista para abril.

"É necessário reduzir os erros em computadores quânticos antes que eles possam ser transformados em máquinas úteis, "disse o professor Stephen Bartlett, um autor correspondente do artigo.

"Uma vez que operam em escala, os computadores quânticos poderiam cumprir sua grande promessa de resolver problemas além da capacidade até mesmo dos maiores supercomputadores. Isso pode ajudar a humanidade a resolver problemas de química, design e indústria de medicamentos. "

Existem muitos tipos de bits quânticos, ou qubits, variando daqueles que usam íons aprisionados, loops supercondutores ou fótons. Um 'spin qubit' é um bit quântico que codifica informações com base na direção magnética quantizada de um objeto quântico, como um elétron.

Austrália, e Sydney em particular, está emergindo como líder global em tecnologia quântica. O recente anúncio para financiar o estabelecimento de uma Sydney Quantum Academy, sublinha a enorme oportunidade na Austrália de construir uma economia quântica com base na maior concentração mundial de grupos de pesquisa quântica aqui em Sydney.

Sem prática sem teoria

Embora muito do foco recente na computação quântica tenha sido em avanços em hardware, nenhum desses avanços foi possível sem o desenvolvimento da teoria da informação quântica.

O grupo de teoria quântica da Universidade de Sydney, liderado pelo Professor Stephen Bartlett e Professor Steven Flammia, é uma das potências mundiais da teoria da informação quântica, permitindo que equipes experimentais e de engenharia em todo o mundo façam os avanços físicos meticulosos necessários para garantir que a computação quântica se torne uma realidade.

O trabalho do grupo de teoria quântica de Sydney foi essencial para o resultado recorde mundial publicado em Nature Electronics .

O professor Bartlett disse:"Como a taxa de erro era tão pequena, a equipe UNSW precisava de alguns métodos bastante sofisticados para ser capaz de detectar os erros.

"Com taxas de erro tão baixas, precisávamos de execuções de dados que duravam dias e dias apenas para coletar as estatísticas e mostrar os erros ocasionais. "

O professor Bartlett disse que uma vez que os erros foram identificados, eles precisam ser caracterizados, eliminado e recarregado.

"O grupo de Steve Flammia é líder mundial na teoria de caracterização de erros, que foi usado para alcançar este resultado, " ele disse.

O grupo Flammia demonstrou recentemente pela primeira vez uma melhoria em computadores quânticos usando códigos projetados para detectar e descartar erros nas portas lógicas, ou interruptores, usando o computador quântico IBM Q.

Professor Andrew Dzurak, que lidera a equipe de pesquisa UNSW, disse:"Tem sido inestimável trabalhar com os professores Bartlett e Flammia, e sua equipe, para nos ajudar a entender os tipos de erros que vemos em nossos qubits de silício-CMOS na UNSW.

"Nosso experimentalista principal, Henry Yang, trabalhou em estreita colaboração com eles para alcançar esta notável fidelidade de 99,957 por cento, mostrando que agora temos o qubit semicondutor mais preciso do mundo. "

O professor Bartlett disse que a conquista do recorde mundial de Henry Yang provavelmente permanecerá por muito tempo. Ele disse que agora a equipe UNSW e outros trabalharão na construção de matrizes de dois qubit e de nível superior em CMOS de silício.

Computadores quânticos totalmente funcionais precisarão de milhões, se não bilhões, de qubits para operar. Projetar qubits de baixo erro agora é uma etapa vital para expandir para tais dispositivos.

O professor Raymond Laflamme é presidente de informação quântica da Universidade de Waterloo, no Canadá, e não esteve envolvido no estudo. Ele disse:"À medida que os processadores quânticos se tornam mais comuns, uma importante ferramenta para avaliá-los foi desenvolvida pelo grupo Bartlett da Universidade de Sydney. Isso nos permite caracterizar a precisão das portas quânticas e dá aos físicos a capacidade de distinguir entre erros incoerentes e coerentes, levando a um controle sem precedentes dos qubits. "

Impacto global

O resultado conjunto da Universidade de Sydney-UNSW vem logo após um artigo da mesma equipe de teoria quântica com experimentalistas do Instituto Niels Bohr em Copenhagen.

Esse resultado, publicado em Nature Communications , permite a troca distante de informações entre elétrons por meio de um mediador, melhorando as perspectivas de uma arquitetura ampliada em computadores quânticos spin-qubit.

O resultado foi significativo porque permite que a distância entre os pontos quânticos seja grande o suficiente para integração na microeletrônica mais tradicional. A conquista foi um esforço conjunto de físicos em Copenhagen, Sydney e Purdue nos EUA.

O professor Bartlett disse:"O principal problema é que para fazer com que os pontos quânticos interajam, eles precisam estar ridiculamente próximos - nanômetros de distância. Mas, a esta distância, eles interferem uns com os outros, tornando o dispositivo muito difícil de ajustar para realizar cálculos úteis. "

A solução era permitir que elétrons emaranhados mediassem suas informações por meio de um 'pool' de elétrons, afastando-os ainda mais.

Ele disse:"É como ter um ônibus - um grande mediador que permite a interação de spins distantes. Se você pode permitir mais interações de spin, então, a arquitetura quântica pode passar para layouts bidimensionais. "

O professor associado Ferdinand Kuemmeth do Instituto Niels Bohr em Copenhagen disse:"Descobrimos que um grande, ponto quântico alongado entre os pontos esquerdo e direito, mediou uma troca coerente de estados de spin, dentro de um bilionésimo de segundo, sem nunca mover elétrons para fora de seus pontos.

O professor Bartlett disse:"O que acho empolgante sobre este resultado como teórico, é que ele nos liberta da geometria restritiva de um qubit contando apenas com seus vizinhos mais próximos. "

Escritório de Engajamento Global

A história deste experimento remonta a uma década, a um programa de Atividades de Projetos de Pesquisa Avançada de Inteligência dos EUA (IARPA) liderado pelo Professor Charlie Marcus, um coautor que estava então em Harvard antes de se mudar para Copenhagen.

O professor Bartlett disse:"Todos nós fomos a Copenhague para um workshop em 2018, em parte para trabalhar neste problema. Thomas Evans, um co-autor do artigo, permaneceu lá por dois meses com o apoio do Office for Global Engagement. O OGE também apoiou o Dr. Arne Grimsmo, que estava trabalhando em outro projeto. "

Ele disse que o experimento e nossas discussões estavam bem avançados quando obtivemos o financiamento do OGE. Mas foi esse workshop e o financiamento para ele que permitiu à equipe de Sydney ir a Copenhagen para planejar a próxima geração de experimentos com base neste resultado.

O professor Bartlett disse:"Este método nos permite separar os pontos quânticos um pouco mais, tornando-os mais fáceis de sintonizar separadamente e fazê-los trabalhar juntos.

"Agora que temos esse mediador, podemos começar a planejar uma matriz bidimensional desses pares de pontos quânticos. "