Pesquisadores do Centro de Excelência em Computação Quântica e Tecnologia de Comunicação (CQC ² T) trabalhando com Silicon Quantum Computing (SQC) localizou o 'ponto ideal' para posicionar qubits em silício para aumentar a escala de processadores quânticos baseados em átomos.

Criando bits quânticos, ou qubits, colocando precisamente átomos de fósforo no silício - o método pioneiro do CQC ² T Diretora, Professora Michelle Simmons - é uma abordagem líder mundial no desenvolvimento de um computador quântico de silício.

Na pesquisa da equipe, publicado hoje em Nature Communications , o posicionamento de precisão provou ser essencial para o desenvolvimento de interações robustas - ou acoplamento - entre qubits.

"Localizamos a posição ideal para criar reproduzíveis, interações fortes e rápidas entre os qubits, "diz o professor Sven Rogge, quem liderou a pesquisa.

"Precisamos dessas interações robustas para projetar um processador multi-qubit e, em última análise, um computador quântico útil. "

Portas de dois qubits - o bloco de construção central de um computador quântico - usam interações entre pares de qubits para realizar operações quânticas. Para qubits de átomo em silício, pesquisas anteriores sugeriram que, para certas posições no cristal de silício, as interações entre os qubits contêm um componente oscilatório que pode desacelerar as operações de porta e torná-las difíceis de controlar.

“Por quase duas décadas, a natureza oscilatória potencial das interações foi prevista como um desafio para o aumento de escala, "Prof Rogge diz.

"Agora, através de novas medições das interações qubit, desenvolvemos um profundo entendimento da natureza dessas oscilações e propomos uma estratégia de posicionamento de precisão para tornar a interação entre os qubits robusta. Este é um resultado que muitos acreditavam não ser possível. "

Encontrando o 'ponto ideal' em simetrias de cristal

Os pesquisadores dizem que agora descobriram que exatamente onde você coloca os qubits é essencial para criar interações fortes e consistentes. Esse insight crucial tem implicações significativas para o design de processadores de grande escala.

"O silício é um cristal anisotrópico, o que significa que a direção em que os átomos são colocados pode influenciar significativamente as interações entre eles, "diz o Dr. Benoit Voisin, autor principal da pesquisa.

"Embora já soubéssemos sobre essa anisotropia, ninguém havia explorado em detalhes como ele poderia realmente ser usado para mitigar a força de interação oscilante. "

"Descobrimos que existe um ângulo especial, ou ponto ideal, dentro de um plano particular do cristal de silício, onde a interação entre os qubits é mais resiliente. Mais importante, este ponto ideal é alcançável usando técnicas de litografia de microscópio de tunelamento de varredura (STM) existentes, desenvolvidas na UNSW. "

"No fim, tanto o problema quanto sua solução originam-se diretamente das simetrias do cristal, então esta é uma boa reviravolta. "

Usando um STM, a equipe é capaz de mapear a função de onda dos átomos em imagens 2-D e identificar sua localização espacial exata no cristal de silício - demonstrada pela primeira vez em 2014 com pesquisas publicadas em Materiais da Natureza e avançado em 2016 Nature Nanotechnology papel.

Na última pesquisa, a equipe usou a mesma técnica STM para observar detalhes em escala atômica das interações entre os qubits de átomos acoplados.

"Usando nossa técnica de imagem de estado quântico, pudemos observar pela primeira vez a anisotropia na função de onda e o efeito de interferência diretamente no plano - este foi o ponto de partida para entender como esse problema se desenrola, "diz o Dr. Voisin.

"Compreendemos que primeiro tínhamos que calcular o impacto de cada um desses dois ingredientes separadamente, antes de olhar a imagem completa para resolver o problema - é assim que podemos encontrar este ponto ideal, que é prontamente compatível com a precisão de colocação atômica oferecida por nossa técnica de litografia STM. "

Construindo um computador quântico de silício átomo por átomo

Cientistas UNSW no CQC ² T estão liderando o mundo na corrida para construir computadores quânticos baseados em átomos em silício. Os pesquisadores do CQC ² T, e sua empresa de comercialização relacionada SQC, são a única equipe no mundo que tem a capacidade de ver a posição exata de seus qubits no estado sólido.

Em 2019, o grupo Simmons alcançou um marco importante em sua abordagem de posicionamento de precisão - com a equipe construindo primeiro o portão de dois qubit mais rápido em silício, colocando dois qubits de átomo próximos um do outro, e, então, observar e medir de forma controlada seus estados de spin em tempo real. A pesquisa foi publicada em Natureza .

Agora, com os avanços mais recentes da equipe Rogge, os pesquisadores do CQC ² T e SQC estão posicionados para usar essas interações em sistemas de grande escala para processadores escaláveis.

"Ser capaz de observar e colocar átomos com precisão em nossos chips de silício continua a fornecer uma vantagem competitiva para a fabricação de computadores quânticos em silício, "diz o Prof. Simmons.

Os Simmons combinados, As equipes de Rogge e Rahman estão 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 construir a mais alta qualidade, processador quântico mais estável.