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Cientistas criam bits quânticos de semicondutores mais silenciosos de todos os tempos – 10 vezes mais ruído do que o recorde anterior

Escrito por virvida

 

Quiet Qbit

Impressão artística de um átomo qubit no silício sendo protegido do ruído de carga causado por imperfeições no ambiente material. Crédito: Tony Melov

Uma equipe liderada pela professora Michelle Simmons da australiana do ano de 2018 deu mais um passo importante no desenvolvimento de um computador quântico de silício.

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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 por cento precisas. O ruído de carga – causado por imperfeições no ambiente material que hospeda os qubits – interfere na informação quântica codificada nos qubits, impactando o precisão das informações.

“O nível de ruído de carga em qubits de semicondutores tem sido um obstáculo crítico para atingir os níveis de precisão de que precisamos para computadores quânticos corrigidos de erros em grande escala”, diz o autor principal Ludwik Kranz, um estudante de PhD do Centro de Computação Quântica e Tecnologia de Comunicação da UNSW (CQC2T) 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. ”

Ludwik Kranz

O autor principal Ludwik Kranz com um microscópio de tunelamento usado para posicionar e encapsular com precisão átomos de fósforo no silício. Crédito: CQC2T

Criando qubits silenciosos

Qubits feitos de elétrons hospedados em átomo qubits em silício – a abordagem que o Prof. Simmons tem defendido desde 2000 – são uma plataforma promissora para computadores quânticos de grande escala.

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No entanto, 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, pois passamos muito tempo otimizando a qualidade do nosso chip de silício, mas isso mostrou que mesmo algumas impurezas nas proximidades podem afetar o ruído”, diz Kranz.

Ao reduzir as impurezas no chip de silício e posicionar os átomos longe da superfície e das interfaces de origem da maior parte do ruído, 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 qubit, estamos provando sistematicamente que os qubits do átomo no silício são reproduzíveis, rápidos e estáveis ​​”, disse a professora Michelle Simmons, diretora CQC2T.

Nosso próximo desafio é mudar para o Si-28 cristalino isotopicamente puro para capitalizar os longos tempos de coerência já demonstrados neste sistema. ”

Tempo é tudo

Usando o chip de silício recém-fabricado, a equipe realizou uma série de experimentos para caracterizar o ruído da 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 CQC2T co-autor Dr. Sam Gorman.

As medições revelaram um fator chave que impacta o ruído de carga – o tempo.

“Pelo espectro de ruído que medimos, sabemos que quanto mais longa a computação – mais o ruído afeta nosso sistema”, diz o Dr. Gorman.

“Isso tem implicações importantes para o projeto de dispositivos futuros, com as operações quânticas precisando ser concluídas em intervalos de tempo excepcionalmente curtos para que o ruído de carga não piore com o tempo, adicionando erros ao cálculo”.

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Trabalhando sistematicamente em um computador quântico de silício disponível comercialmente

Para realizar cálculos sem erros necessários para grande escala Computação quântica, uma porta 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 átomos no silício”, disse o Prof Simmons, que também é o fundador da Silicon Quantum Computing (SQC).

“Nossa equipe agora está trabalhando para entregar todos esses resultados-chave em um único dispositivo – rápido, estável, de alta fidelidade e com longos tempos de coerência – dando um grande passo em direção a um processador quântico em escala real em silício.”

O professor Simmons está trabalhando com o SQC para construir o primeiro computador quântico comercial útil em silício. Co-localizado com CQC2No campus da UNSW em Sydney, o objetivo da SQC é demonstrar a capacidade necessária para produzir de forma confiável um protótipo de processador quântico integrado de 10 qubit até 2023.

“Os resultados de nossa equipe confirmam ainda que nossa abordagem única – de posicionar precisamente átomos de fósforo no silício – é uma perspectiva extremamente promissora para a construção da arquitetura de grande escala com correção de erros necessária para a comercialização de computadores quânticos de silício”, diz o Prof.

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virvida

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