Um grupo de cientistas liderado pela professora Michelle Simmons, australiana do ano de 2018, alcançou o primeiro portão de dois qubit entre átomos de silício - um marco importante na busca da equipe para construir um computador quântico em escala atômica. A peça fundamental da pesquisa foi publicada hoje em um jornal de renome mundial Natureza .

Um portão de dois qubit é o bloco de construção central de qualquer computador quântico - e a versão da equipe UNSW dele é a mais rápida que já foi demonstrada em silício, completando uma operação em 0,8 nanossegundos, que é ~ 200 vezes mais rápido do que outras portas de dois qubit baseadas em spin existentes.

Na abordagem de grupo dos Simmons, uma porta de dois qubit é uma operação entre dois spins de elétrons - comparável ao papel que as portas lógicas clássicas desempenham na eletrônica convencional. Pela primeira vez, a equipe foi capaz de construir uma porta de dois qubit colocando dois qubits de átomo mais próximos do que nunca, e então - em tempo real - observando e medindo controladamente seus estados de spin.

A abordagem única da equipe para a computação quântica requer não apenas a colocação de qubits de átomos individuais no silício, mas todos os circuitos associados para inicializar, controlar e ler os qubits em nanoescala - um conceito que requer uma precisão tão requintada que por muito tempo se pensou ser impossível. Mas com este marco importante, a equipe agora está posicionada para traduzir sua tecnologia em processadores escaláveis.

Professor Simmons, Diretor do Centro de Excelência para Computação Quântica e Tecnologia de Comunicação (CQC2T) e fundador da Silicon Quantum Computing Pty Ltd., diz que a década passada de resultados anteriores preparou perfeitamente a equipe para mudar os limites do que é considerado "humanamente possível".

"Atom qubits detém o recorde mundial para os mais longos tempos de coerência de um qubit em silício com as mais altas fidelidades, "ela diz." Usando nossas tecnologias de fabricação exclusivas, já demonstramos a capacidade de ler e inicializar spins de um único elétron em qubits de átomo no silício com uma precisão muito alta. Também demonstramos que nosso circuito em escala atômica tem o menor ruído elétrico de qualquer sistema já projetado para se conectar a um qubit semicondutor.

"Otimizar todos os aspectos do design do dispositivo com precisão atômica agora nos permitiu construir um sistema muito rápido, portão de dois qubit altamente preciso, que é o bloco de construção fundamental de um escalonável, computador quântico baseado em silício.

"Nós realmente mostramos que é possível controlar o mundo em escala atômica - e que os benefícios da abordagem são transformacionais, incluindo a notável velocidade com que nosso sistema opera. "

UNSW Science Dean, Professora Emma Johnston AO, afirma que este artigo mostra ainda como a pesquisa do Professor Simmons é inovadora.

"Este foi um dos marcos finais da equipe de Michelle para demonstrar que eles podem realmente fazer um computador quântico usando qubits atômicos. Seu próximo objetivo principal é construir um circuito integrado quântico de 10 qubit - e esperamos que eles cheguem a isso dentro de 3-4 anos."

Chegando perto dos qubits - engenharia com uma precisão de apenas mil milhões de milionésimos de um metro

Usando um microscópio de tunelamento de varredura para posicionar com precisão e encapsular átomos de fósforo no silício, a equipe primeiro teve que calcular a distância ideal entre dois qubits para permitir a operação crucial.

"Nossa técnica de fabricação nos permite colocar os qubits exatamente onde queremos. Isso nos permite projetar nosso portão de dois qubit para ser o mais rápido possível, "diz o co-autor principal do estudo, Sam Gorman, da CQC2T.

"Não apenas aproximamos os qubits desde nossa última descoberta, mas aprendemos a controlar todos os aspectos do design do dispositivo com precisão sub-nanométrica para manter as altas fidelidades. "

Observando e controlando as interações de qubit em tempo real

A equipe foi então capaz de medir como os estados dos qubits evoluíram em tempo real. E, mais emocionante, os pesquisadores mostraram como controlar a força de interação entre dois elétrons na escala de tempo de nanossegundos.

"Importante, fomos capazes de aproximar ou afastar os elétrons do qubit, efetivamente ligando e desligando a interação entre eles, um pré-requisito para um portão quântico, "diz outro co-autor principal Yu He.

"O estreito confinamento dos elétrons do qubit, exclusivo para nossa abordagem, e o ruído inerentemente baixo em nosso sistema nos permitiu demonstrar a porta de dois qubit mais rápida em silício até hoje. "

"O portal quântico que demonstramos, a chamada porta SWAP, também é ideal para transportar informações quânticas entre qubits - e, quando combinado com um único portão qubit, permite que você execute qualquer algoritmo quântico. "

Uma coisa de impossibilidade física? Não mais

Professor Simmons diz que este é o culminar de duas décadas de trabalho.

"Este é um grande avanço:ser capaz de controlar a natureza em seu menor nível para que possamos criar interações entre dois átomos, mas também falar individualmente com cada um sem perturbar o outro é incrível. Muitas pessoas pensaram que isso não seria possível, " ela diz.

"A promessa sempre foi que, se pudéssemos controlar o mundo qubit nesta escala, eles seriam rápidos, e com certeza estão! "