眼见为实：精密原子量子比特实现了量子计算的重要里程碑

澳大利亚独特的从硅中精确定位的单个原子创造量子位的方法正在获得重大回报，新南威尔士大学悉尼校领的科学家首次表明他们可以使这两个原子量子位彼此“对话”。

该团队由新南威尔士大学量子计算和通信技术卓越中心主任Michele Simmons教授(CQC2T)领导，是世界上唯一能够在固体中查看量子位的确切位置的团队。州。

Simmons的团队通过精确定位和封装硅芯片中的单个磷原子来创建原子量子位。信息存储在单个磷电子的量子自旋上。

该团队的最新进展 - 对这两种量子比特之间可控相互作用的首次观察 - 发表在Nature Communications杂志上。它采用了这种独特的方法来构建量子计算机，这是近期其他两项突破。

通过优化其纳米制造工艺，Simmons团队最近还创建了具有任何半导体器件记录电噪声最低的量子电路。

他们创造了一种电子自旋量子比特，其在纳米电子设备中报告的寿命最长--30秒。

“这三篇研究论文的综合结果证实了使用原子量子比特构建多量子比特系统的前景非常广阔，”西蒙斯说。

2018年的年度澳大利亚人受Richard Feynman的启发

西蒙斯于1月份因其开创性的量子计算研究被评为2018年度澳大利亚年度最佳人选，她表示，她的团队的突破性工作受到了已故物理学家理查德·费曼的启发。

“费曼说：'我不能创造，我不明白'。我们正在从头开始，逐个原子地系统地制定这一战略，”西蒙斯说。

“在我们的磷原子放入硅中进行量子比特时，我们已经证明我们可以使用扫描探针直接测量原子的波函数，它告诉我们它在芯片中的确切物理位置。我们是唯一的世界谁能真正看到我们的量子比特在哪里。

“我们的竞争优势在于，我们可以将我们想要的高质量量子位置放在芯片中，查看我们制作的内容，然后测量它的行为。我们可以在附近添加另一个量子位，看看两个波函数如何相互作用然后我们就可以开始生成我们创建的设备的复制品，“她说。

对于这项新研究，该团队在硅芯片中放置了两个量子比特 - 一个由两个磷原子组成，一个由单个磷原子组成 - 相距16纳米。

“使用类似精密技术在芯片上形成图案的电极，我们能够控制这两个相邻量子位之间的相互作用，因此它们的电子量子自旋变得相关，”研究主要合着者Matthew Broome博士说。新南威尔士大学，现在在哥本哈根大学。

“看起来非常吸引人。当一个电子的旋转指向上方时，另一个电子指向下方，反之亦然。

“这是该技术的一个重要里程碑。这些类型的自旋相关是量子计算机运行和执行复杂计算所必需的纠缠态的前兆，”他说。

研究报告的共同作者，新南威尔士大学的Sam Gorman说：“理论预测两个量子比特需要放置20纳米才能看到这种相关效应。但我们发现它只相隔16纳米。

“在我们的量子世界中，这是一个非常大的差异，”他说。“作为一名实验主义者，挑战这一理论也很棒。”

领导在硅片中构建量子计算机的竞赛

CQC2T的新南威尔士大学科学家和工程师在用硅建造量子计算机的竞争中处于世界领先地位。他们正在使用单原子和量子点量子比特开发平行专利方法。

西蒙斯说：“我们希望这两种方法都能很好地发挥作用。这对澳大利亚来说非常棒。”

新南威尔士大学的团队选择在硅片上工作，因为它是最稳定，最易于制造的量子比特的环境之一，而且它在传统计算机行业中的悠久历史意味着对这种材料有大量的了解。

2012年，西蒙斯的团队使用扫描隧道显微镜将硅中的各个磷原子定位，然后用分子束外延封装它们，创造了世界上最窄的导线，只有四个磷原子和一个原子高。

在最近发表在Nano Letters期刊上的一篇论文中，他们使用类似的原子尺度控制技术来制作大约2-10纳米宽的电路，并表明它具有任何半导体电路中记录的最低电噪声。这项工作是与印度科学研究所的Saquib Shamim和Arindam Ghosh共同完成的。

“人们普遍认为，控制量子比特的电路产生的电噪声将成为限制其性能的关键因素，”西蒙斯说。

“我们的结果证实，硅是最佳选择，因为它的使用避免了大多数其他器件面临的问题，即混合不同的材料，包括电介质和表面金属，可能是电噪声的来源和放大。

“凭借我们的精密方法，我们已经实现了我们认为的硅电子纳米器件可能的最低电噪声水平 - 比使用碳纳米管低三个数量级，”她说。

在另一篇最近的科学进展论文中，西蒙斯的团队展示了他们在硅片中的精确量子位可以被设计成使得电子自旋具有30秒的记录寿命 - 比之前报道的长16倍。第一作者Thomas Watson博士在新南威尔士大学攻读博士学位，目前在代尔夫特理工大学工作。

“这是研究的热门话题，”西蒙斯说。“电子自旋的寿命 - 在它开始衰减之前，例如，从旋转向下旋转 - 是至关重要的。寿命越长，我们在量子状态下存储信息的时间就越长。”

在同一篇论文中，他们表明这些长寿命使他们能够按顺序读出两个量子位的电子自旋，每个量子的准确度为99.8%，这是量子处理器中实际纠错所需的水平。

澳大利亚第一家量子计算公司

量子计算机不是像传统计算机那样一个接一个地进行计算，而是可以并行工作，并且能够同时查看所有可能的结果。它可以在几分钟内解决问题，否则需要几千年。

去年，澳大利亚第一家量子计算公司 - 由一个独特的政府，工业和大学联盟支持 - 成立，旨在将CQC2T的世界领先研究商业化。

Silicon Quantum Computing Pty Ltd在新南威尔士大学的新实验室运营，目标是到2022年在硅片上生产10-qubit示范器件，作为硅基量子计算机的先驱。

澳大利亚政府通过其国家创新和科学议程投资了2600万美元，其中包括来自新南威尔士大学的额外2500万美元，澳大利亚联邦银行的1400万美元，澳大利亚政府的1000万美元和新南威尔士州政府的870万美元。

据估计，包含约40%澳大利亚当前经济的行业可能会受到量子计算的显着影响。可能的应用包括软件设计，机器学习，调度和后勤规划，财务分析，股票市场建模，软件和硬件验证，气候建模，快速药物设计和测试，以及早期疾病检测和预防。