Impressão artística de um átomo qubit em silício sendo protegido do ruído de carga causado por imperfeições no ambiente material. Crédito:Tony Melov
Pesquisadores da UNSW Sydney demonstraram o nível de ruído mais baixo já registrado para um bit quântico semicondutor, ou qubit. A pesquisa foi publicada em Materiais avançados .
Para que os computadores quânticos realizem cálculos úteis, as informações quânticas devem ser quase 100% precisas. O ruído de carga - causado por imperfeições no ambiente material que hospeda os qubits - interfere nas informações quânticas codificadas nos qubits, impactando a precisão das informações.
"O nível de ruído de carga em qubits de semicondutores tem sido um obstáculo crítico para alcançar os níveis de precisão de que precisamos para computadores quânticos com correção de erros em grande escala, "diz o autor principal Ludwik Kranz, um Ph.D. estudante do Centro de Computação Quântica e Tecnologia de Comunicação da UNSW (CQC 2 T) trabalhar com a empresa spin-off do Centro, Silicon Quantum Computing (SQC).
"Nossa pesquisa demonstrou que podemos reduzir o ruído de carga a um nível significativamente baixo, minimizando o impacto que tem em nossos qubits, "diz Kranz.
"Ao otimizar o processo de fabricação do chip de silício, alcançamos um nível de ruído 10 vezes menor do que o registrado anteriormente. Este é o menor ruído de carga registrado de qualquer qubit semicondutor. "
Criando qubits silenciosos
Qubits feitos de elétrons hospedados em qubits de átomos em silício - a abordagem que o Prof. Simmons defende desde 2000 - são uma plataforma promissora para computadores quânticos de grande escala.
Contudo, qubits hospedados em qualquer plataforma de semicondutor, como silício, são sensíveis ao ruído de carga.
A pesquisa da equipe revelou que a presença de defeitos no chip de silício ou na interface com a superfície contribuiu significativamente para o ruído de carga.
"Isso foi uma surpresa, como passamos muito tempo otimizando a qualidade do nosso chip de silício, mas isso mostrou que mesmo algumas impurezas próximas podem afetar o ruído, "diz Kranz.
Ao reduzir as impurezas no chip de silício e posicionar os átomos longe da superfície e das interfaces onde a maior parte do ruído se origina, a equipe foi capaz de produzir o resultado recorde.
"Nossos resultados continuam a mostrar que o silício é um excelente material para hospedar qubits. Com nossa capacidade de projetar todos os aspectos do ambiente de qubit, estamos provando sistematicamente que qubits de átomos no silício são reproduzíveis, rápido e estável, "diz a professora Michelle Simmons, Diretor CQC 2 T.
"Nosso próximo desafio é mudar para o Si-28 cristalino isotopicamente puro para capitalizar os longos tempos de coerência já demonstrados neste sistema."
O autor principal Ludwik Kranz com um microscópio de tunelamento usado para colocar e encapsular átomos de fósforo em silício com precisão. Crédito:CQC2T
Tempo é tudo
Usando o chip de silício recém-fabricado, a equipe então realizou uma série de experimentos para caracterizar o ruído de carga, com resultados imprevistos.
"Medimos o ruído de carga usando um único transistor de elétron e um par de qubit acoplado a troca que, coletivamente, fornecem um espectro de ruído de carga consistente em uma ampla faixa de frequência, "diz CQC 2 T co-autor Dr. Sam Gorman.
As medições revelaram um fator chave que afeta o ruído de carga - o tempo.
"Do espectro de ruído que medimos, sabemos que quanto mais longa a computação, mais ruído afeta nosso sistema, "diz o Dr. Gorman.
"Isso tem implicações importantes para o design de dispositivos futuros, com operações quânticas precisando ser concluídas em intervalos de tempo excepcionalmente curtos para que o ruído de carga não se torne pior com o tempo, adicionar erros ao cálculo. "
Trabalhando sistematicamente em um computador quântico de silício disponível comercialmente
Para realizar cálculos sem erros necessários para a computação quântica em grande escala, um portão de dois qubit - o bloco de construção central de qualquer computador quântico - precisa de uma fidelidade - ou precisão - de mais de 99%. Para atingir esse limite de fidelidade, as operações quânticas precisam ser estáveis e rápidas.
Em um artigo recente - publicado em Revisão Física X - o grupo Simmons, usando sua capacidade de precisão atômica, demonstrou a capacidade de ler os qubits em 1 microssegundo.
"Esta pesquisa combinada com nossos resultados de ruído de carga mais baixo mostra que é possível alcançar uma fidelidade de 99,99% em qubits de átomo no silício, "diz o Prof. Simmons, que também é o fundador do SQC.
"Nossa equipe agora está trabalhando para entregar todos esses resultados importantes em um único dispositivo - rápido, estábulo, alta fidelidade e com longos tempos de coerência - aproximando-se um passo importante de um processador quântico em escala real em silício. "
Professor Simmons está trabalhando com SQC para construir o primeiro útil, computador quântico comercial em silício. Co-localizado com CQC 2 T no campus UNSW Sydney, O objetivo do SQC é demonstrar a capacidade necessária para produzir de forma confiável um protótipo de processador quântico integrado de 10 qubit até 2023.
"Os resultados da nossa equipe confirmam ainda que nossa abordagem única - de posicionar precisamente os átomos de fósforo no silício - é uma perspectiva extremamente promissora para a construção do sistema corrigido de erros, arquitetura de grande escala necessária para a comercialização de computadores quânticos de silício, "Prof. Simmons diz.
