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比以往任何时候都快200倍 最快的量子操作

物理学家已经构建了量子计算机中心构建块的超快版本。该研究是20年前科学家首次提出的愿景的里程碑式结果。

由2018年澳大利亚年度最佳澳大利亚教授Michelle Simmons领导的一组科学家已经实现了硅原子量子位之间的第一个双量子比特门 - 这是该团队寻求构建原子级量子计算机的一个重要里程碑。关键的研究成果今天发表在“自然”杂志上。

两个量子比特门是任何量子计算机的中心构建块 - 新南威尔士大学的团队版本是硅中最快的版本,完成了0.8纳秒的操作,比其他现有的旋转速度快约200倍基于双量子比特门。

在西蒙斯的小组方法中,两个量子比特门是两个电子自旋之间的操作 - 与传统逻辑门在传统电子设备中的作用相当。有史以来第一次,该团队能够通过将两个原子量子比特放在一起比以前更接近来构建一个双量子比特门,然后 - 实时 - 可控制地观察和测量它们的自旋状态。

该团队独特的量子计算方法不仅需要在硅片中放置单个原子量子位,还需要在纳米尺度上初始化,控制和读出量子位的所有相关电路 - 这一概念需要如此精确的精确度,这一点长期以来被认为是不可能。但凭借这一重要里程碑,该团队现在可以将其技术转化为可扩展的处理器。

量子计算和通信技术卓越中心(CQC2T)主任,硅量子计算有限公司创始人西蒙斯教授表示,过去十年的先前成果完美地让团队改变了被认为是“边界”的界限。人性化。“

她说:“Atom量子比特拥有世界纪录,这是硅片量子比特最长的相干时间,具有最高的保真度。”“利用我们独特的制造技术,我们已经证明了能够以非常高的精度读取和初始化硅中原子量子位上的单电子自旋的能力。我们还证明了我们的原子级电路具有任何系统中最低的电噪声设计连接到半导体量子比特。

“以原子精度优化器件设计的各个方面现在使我们能够构建一个真正快速,高度精确的双量子比特门,这是可扩展的基于硅的量子计算机的基本构建块。

“我们确实已经证明,有可能在原子尺度上控制世界 - 而且这种方法的好处是变革性的,包括我们系统运行的显着速度。”

新南威尔士大学科学院院长Emma Johnston教授说,这篇重要论文进一步说明了西蒙斯教授的研究是如何开创性的。

“这是米歇尔团队最后的里程碑之一,证明他们实际上可以使用原子量子比特制作量子计算机。他们的下一个主要目标是建立一个10比特的量子集成电路 - 我们希望他们能在3 - 4年内实现这一目标。 “

使用量子比特起床和关闭 - 工程精度仅为千分之一米

使用扫描隧道显微镜精确放置和封装硅中的磷原子,该团队首先必须计算出两个量子比特之间的最佳距离,以实现关键操作。

“我们的制造技术使我们能够将量子位置准确放置在我们想要的位置。这使我们能够尽可能快地设计出我们的双量子比特门,”来自CQC2T的研究首席合着者Sam Gorman说。

“自从我们最后一次突破以来,我们不仅使量子比特更加接近,而且我们学会了以亚纳米精度控制器件设计的各个方面,以保持高保真度。”

实时观察和控制量子比特交互

然后,该团队能够实时测量量子比特状态如何演变。而且,最令人兴奋的是,研究人员展示了如何在纳秒级时间尺度上控制两个电子之间的相互作用强度。

“重要的是,我们能够使量子比特的电子更近或更远,有效地打开和关闭它们之间的相互作用,这是量子门的先决条件,”其他主要合着者Yu He说。

“我们的方法独有的量子比特电子的严格限制,以及我们系统中固有的低噪声使我们能够展示迄今为止最快的两个量子比特门。”

“我们演示的量子门,即所谓的SWAP门,也非常适合在量子位之间穿梭量子信息 - 当与单个量子位门结合使用时,可以运行任何量子算法。”

身体不可能的事情?不再

西蒙斯教授说,这是二十年工作的高潮。

“这是一个巨大的进步:能够控制自然的最小水平,以便我们可以创造两个原子之间的相互作用,但也可以单独地与每个原子交谈而不会打扰另一个原子是不可思议的。很多人认为这不会是可能,“她说。

“我们一直承诺,如果我们能够以这种规模控制量子比特世界,他们就会很快,而且他们肯定是!”

什么是量子比特?

在Michelle Simmons教授的研究中,量子比特(或量子比特)是由硅中磷原子上的电子构成的。通过精确定位和封装硅芯片中的单个磷原子来创建量子比特是西蒙斯教授团队在全球领先的独特方法。由于其长期稳定性,这些类型的量子比特是大型量子计算机的有前途的平台。

量子势:一个工作的大规模量子计算机有可能改变信息经济并创造未来的产业,解决几个小时或几分钟的问题,这些问题需要传统的计算机 - 甚至是超级计算机 - 几个世纪以来,并解决其他难以处理的问题甚至超级计算机在有用的时间范围内无法解决的问题。潜在的应用包括机器学习,调度和后勤规划,财务分析,股票市场建模,软件和硬件验证,快速药物设计和测试,以及早期疾病检测和预防。

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