Квантовые ученые построили первые кремниевые двухкубитовые врата между атомными кубитами
В качестве важного шага вперед для квантовых вычислений в атомном масштабе ученые создали первые два кубитных затвора между атомами в кремнии, позволяющие кубитам связываться друг с другом и выполнять операции быстрее, чем когда-либо прежде.
Поскольку ворота с двумя кубитами являются фундаментальным строительным блоком квантового компьютера, это имеет довольно удивительные последствия.
«Многие думали, что это невозможно», - говорит квантовый физик Мишель Симмонс из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Австралии.
Кубиты - это квантовые биты, и они представляют собой квантово-вычислительный эквивалент двоичных битов, базовых единиц информации. Однако, когда биты обрабатывают информацию в одном из двух состояний - 1 или 0 - кубит может находиться в состоянии 1, 0 или обоих одновременно, в зависимости от их состояний вращения.
Последнее состояние - 1 и 0 одновременно - называется суперпозицией.
Поддержание суперпозиции кубитов позволяет квантовым компьютерам решать сложные математические задачи, выполняя вычисления, основанные на вероятности состояния объекта до его измерения.
Но для более эффективных вычислений мы хотим, чтобы кубиты могли общаться друг с другом. Следовательно, ворота с двумя кубитами, которые команда UNSW смогла достичь только в 2015 году.
Технология прошла долгий путь. Ранее в этом году исследователи смогли измерить точность операций с двумя кубитами.
Теперь, разместив два атомных кубита ближе друг к другу, чем они когда-либо были, и измерив и проконтролировав их спиновые состояния в режиме реального времени, другая команда во главе с Симмонсом сократила время операции с двумя кубитами до 0,8 наносекунд.
Это в 200 раз быстрее, чем любые другие два-кубитные гейты, разработанные на сегодняшний день.
«Атомные кубиты являются мировым рекордом для самых длинных времен когерентности кубита в кремнии с самой высокой точностью», - сказал Симмонс.
«Оптимизация каждого аспекта конструкции устройства с атомной точностью теперь позволила нам создать действительно быстрые, высокоточные двухкбитные логические элементы, которые являются фундаментальным строительным блоком масштабируемого квантового компьютера на основе кремния».
Это потрясающая работа. Во-первых, команда должна была определить оптимальное расстояние для размещения двух атомов фосфора для квантовых операций. Это оказалось всего 13 нанометров.
Затем им пришлось использовать сканирующий туннельный микроскоп - инструмент, предназначенный для изображения поверхностей на атомном уровне - для размещения и инкапсуляции атомов в кремнии с высокой точностью, а также схемы, необходимые для управления и считывания спиновых состояний кубитов.
Команда могла не только измерять изменения в кубитах в режиме реального времени, но и контролировать, насколько сильно они взаимодействовали.
«Мы смогли приблизить электроны кубита ближе или дальше друг от друга, эффективно включив и выключив взаимодействие между ними, что является необходимым условием для квантовых ворот», - сказал квантовый физик Ю Хе.
«Тесное ограничение электронов кубита, уникальное для нашего подхода, и низкий уровень шума в нашей системе позволили нам продемонстрировать самый быстрый на сегодняшний день вентиль с двумя кубитами в кремнии».
Он добавил, что он идеально подходит для отправки информации между двумя кубитами. И, в сочетании с единичным гейтом-кубитом, он может запускать любой алгоритм, который вы на него бросаете
Теоретически это масштабируемо. Дальнейшее его развитие займет немного больше времени, но это достижение является довольно важной вехой, которая открывает путь к такой масштабируемости.
«Это была одна из последних вех команды Мишель, чтобы продемонстрировать, что они действительно могут сделать квантовый компьютер, используя атомные кубиты», - сказала Эмма Джонстон, декан UNSW.
«Их следующая главная цель - построить квантовую интегральную схему на 10 кубитов - и мы надеемся, что они достигнут этого в течение 3-4 лет».
Исследование было опубликовано в журнале .