Pela primeira vez, pesquisadores mediram a fidelidade, isto é, a precisão das operações lógicas de dois qubit em silício, com resultados altamente promissores que permitirão a ampliação para um processador quântico em grande escala.

A pesquisa, realizado pela equipe do Professor Andrew Dzurak em UNSW Engineering, foi publicado hoje na revista de renome mundial Natureza .

Os experimentos foram realizados por Wister Huang, um Ph.D. no último ano estudante de Engenharia Elétrica, e Dr. Henry Yang, pesquisador sênior da UNSW.

"Todos os cálculos quânticos podem ser feitos de operações de um qubit e operações de dois qubit - eles são os blocos de construção centrais da computação quântica, "diz o professor Dzurak.

"Assim que tiver isso, você pode realizar qualquer cálculo que desejar, mas a precisão de ambas as operações precisa ser muito alta. "

Em 2015, a equipe de Dzurak foi a primeira a construir uma porta lógica quântica em silício, tornando possíveis cálculos entre dois qubits de informação - e, assim, eliminando um obstáculo crucial para tornar os computadores quânticos de silício uma realidade.

Vários grupos ao redor do mundo já demonstraram portas de dois qubit no silício, mas até este artigo de referência hoje, a verdadeira precisão de tal porta de dois qubit era desconhecida.

Precisão crucial para o sucesso quântico

"A fidelidade é um parâmetro crítico que determina a viabilidade de uma tecnologia qubit - você só pode explorar o tremendo poder da computação quântica se as operações qubit forem quase perfeitas, com apenas pequenos erros permitidos, "Dr. Yang diz.

Neste estudo, a equipe implementou e realizou benchmarking de fidelidade com base em Clifford - uma técnica que pode avaliar a precisão de qubit em todas as plataformas de tecnologia - demonstrando uma fidelidade de porta de dois qubit média de 98%.

"Alcançamos essa alta fidelidade ao caracterizar e mitigar as fontes primárias de erro, melhorando assim as fidelidades de porta ao ponto em que sequências de benchmarking aleatórias de comprimento significativo - mais de 50 operações de porta - pudessem ser realizadas em nosso dispositivo de dois qubit, "diz o Sr. Huang, o autor principal do artigo.

Os computadores quânticos terão uma ampla gama de aplicações importantes no futuro, graças à sua capacidade de realizar cálculos muito mais complexos em velocidades muito maiores, incluindo a resolução de problemas que estão simplesmente além da capacidade dos computadores de hoje.

"Mas para a maioria dessas aplicações importantes, serão necessários milhões de qubits, e você vai ter que corrigir erros quânticos, mesmo quando são pequenos, "Professor Dzurak diz.

"Para que a correção de erros seja possível, os próprios qubits devem ser muito precisos em primeiro lugar - por isso, é crucial avaliar sua fidelidade. "

"Quanto mais precisos seus qubits, menos você precisa - e, portanto, quanto mais cedo pudermos aumentar a engenharia e a manufatura para criar um computador quântico em escala real. "

Silício confirmado como o caminho a percorrer

Os pesquisadores dizem que o estudo é mais uma prova de que o silício como plataforma de tecnologia é ideal para aumentar a escala para o grande número de qubits necessários para a computação quântica universal. Dado que o silício está no centro da indústria global de computadores há quase 60 anos, suas propriedades já são bem conhecidas e as instalações de produção de chips de silício existentes podem se adaptar prontamente à tecnologia.

"Se nosso valor de fidelidade fosse muito baixo, isso significaria sérios problemas para o futuro da computação quântica de silício. O fato de estar perto de 99% o coloca na estimativa de que precisamos, e há excelentes perspectivas para melhorias futuras. Nossos resultados mostram imediatamente, como previmos, que o silício é uma plataforma viável para computação quântica em grande escala, "Professor Dzurak diz.

"Acreditamos que alcançaremos fidelidades significativamente maiores em um futuro próximo, abrindo o caminho para a escala completa, computação quântica tolerante a falhas. Estamos agora à beira de uma precisão de dois qubit, alta o suficiente para correção de erros quânticos. "

Em outro artigo - publicado recentemente em Nature Electronics e destaque na capa - na qual o Dr. Yang é o autor principal, a mesma equipe também alcançou o recorde de porta de 1 qubit mais precisa do mundo em um ponto quântico de silício, com uma fidelidade notável de 99,96%.

"Além das vantagens naturais dos qubits de silício, um dos principais motivos pelos quais conseguimos alcançar resultados tão impressionantes é a fantástica equipe que temos aqui na UNSW. Meu aluno Wister e o Dr. Yang são incrivelmente talentosos. Eles conceberam pessoalmente os protocolos complexos necessários para este experimento de benchmarking, "diz o professor Dzurak.

Outros autores de hoje Natureza papel são pesquisadores UNSW Tuomo Tanttu, Ross Leon, Fay Hudson, Andrea Morello e Arne Laucht, bem como os ex-membros da equipe Dzurak Kok Wai Chan, Bas Hensen, Michael Fogarty e Jason Hwang, enquanto o professor Kohei Itoh da Universidade Keio do Japão forneceu wafers de silício enriquecidos isotopicamente para o projeto.

Reitor de Engenharia da UNSW, Professor Mark Hoffman, diz que o avanço é mais uma prova de que esta equipe líder mundial está em processo de levar a computação quântica além do limiar do teórico ao real.

"A computação quântica é a corrida espacial deste século - e Sydney está liderando o ataque, "Professor Hoffman diz.

"Este marco é mais um passo para a realização de um computador quântico em grande escala - e reforça o fato de que o silício é uma abordagem extremamente atraente que acreditamos que levará o UNSW lá primeiro."

Spin qubits baseados na tecnologia CMOS de silício - o método específico desenvolvido pelo grupo do Professor Dzurak - são uma grande promessa para a computação quântica por causa de seus longos tempos de coerência e o potencial de alavancar a tecnologia de circuito integrado existente para fabricar o grande número de qubits necessários para aplicações práticas.

O professor Dzurak lidera um projeto para avançar a tecnologia de qubit CMOS de silício com Silicon Quantum Computing, Primeira empresa de computação quântica da Austrália.

"Nosso resultado mais recente nos aproxima da comercialização dessa tecnologia - meu grupo se concentra na construção de um chip quântico que pode ser usado para aplicações do mundo real, "Professor Dzurak diz.

Um processador quântico em grande escala teria aplicações importantes nas finanças, setores de segurança e saúde - ajudaria a identificar e desenvolver novos medicamentos ao acelerar muito o projeto de compostos farmacêuticos auxiliado por computador, pode contribuir para o desenvolvimento de novos, materiais mais leves e mais fortes, desde produtos eletrônicos de consumo a aeronaves, e busca de informações mais rápida em grandes bancos de dados.