科学家创造了有史以来最安静的半导体量子位-噪音降低了10倍

由2018年澳大利亚年度最佳教授米歇尔·西蒙斯领导的团队在硅量子计算机的开发上又向前迈出了重要的一步。

新南威尔士大学悉尼分校的研究人员已经证明了半导体量子比特(或称量子比特)的噪音水平是有记录以来最低的。这项研究发表在“先进材料”杂志上。

要让量子计算机执行有用的计算，量子信息必须接近100%准确。电荷噪声-由承载量子比特的物质环境中的缺陷引起-干扰量子比特上编码的量子信息，影响信息的准确性。

主要作者、新南威尔士大学量子计算与通信技术中心(CQC 2T)的博士生路德维克·克兰兹(Ludwik Kranz)说：“半导体量子比特中的电荷噪声水平一直是达到大规模纠错量子计算机所需精度水平的关键障碍。”克兰兹与该中心的分支公司硅量子计算(SQC)合作。

克兰兹说：“我们的研究表明，我们可以将电荷噪声降低到非常低的水平，将它对我们量子比特的影响降到最低。”

通过优化硅芯片的制造工艺，我们达到了比之前记录的噪音水平低10倍的水平。这是所有半导体量子比特中记录到的最低电荷噪声。“。

由驻留在硅原子量子比特上的电子制成的量子比特-西蒙斯教授自2000年以来一直倡导的方法-是一个很有希望的大规模量子计算机平台。

然而，驻留在任何半导体平台(如硅)中的量子比特对电荷噪声都很敏感。

该研究小组的研究表明，硅芯片内部或与表面交界处存在的缺陷是电荷噪声的重要贡献者。

克兰兹说：“这是一个惊喜，因为我们花了很多时间来优化我们的硅芯片的质量，但这表明，即使是附近的一些杂质也会影响噪音。”

通过减少硅芯片中的杂质，并将原子放置在远离大部分噪音来源的表面和界面上，该团队能够产生创纪录的结果。

“我们的结果继续表明，硅是容纳量子比特的绝佳材料。CQC 2T主任米歇尔·西蒙斯(Michelle Simmons)教授表示：“凭借我们设计量子比特环境各个方面的能力，我们正在系统地证明，硅中的原子量子比特是可重现、快速和稳定的。”

我们的下一个挑战是转向同位素纯晶态Si-28，以利用该系统已经证明的长相干时间。“。

使用新制造的硅芯片，研究小组随后进行了一系列实验，以表征电荷噪声，结果出乎意料。

CQC 2T合著者萨姆·戈尔曼博士说：“我们使用单电子晶体管和交换耦合量子位对来测量电荷噪声，它们共同在很宽的频率范围内提供了一致的电荷噪声谱。”

戈尔曼博士说：“从我们测量的噪声频谱中，我们知道计算时间越长，噪声对我们系统的影响就越大。”

“这对未来设备的设计有重大影响，量子操作需要在极短的时间内完成，这样电荷噪声才不会随着时间的推移而变得更糟，从而增加计算的误差。”

要执行大规模量子计算所需的无误差计算，一个两量子比特门-任何量子计算机的中心构件-需要99%以上的保真度或准确性。为了达到这个保真度阈值，量子操作需要稳定和快速。

在最近发表在“物理评论X”上的一篇论文中，西蒙斯小组利用他们的原子精度能力，展示了在1微秒内读出量子比特的能力。

同时也是硅量子计算(SQC)创始人的西蒙斯教授说：“这项研究结合我们最低的电荷噪声结果表明，硅中的原子量子位有可能达到99.99%的保真度。”

我们的团队现在正在努力在一个设备上实现所有这些关键结果-快速、稳定、高保真和长相干时间-向硅的全尺寸量子处理器迈进了重要的一步。“。

西蒙斯教授正在与SQC合作，用硅建造第一台有用的商用量子计算机。SQC与CQC 2T共同位于新南威尔士大学悉尼校区，其目标是展示到2023年可靠地生产10量子位原型量子集成处理器所需的能力。

西蒙斯教授说：“我们团队的研究结果进一步证实，我们的独特方法--在硅中精确定位磷原子--对于构建硅量子计算机商业化所需的纠错大规模架构来说，是一个非常有前途的前景。”

Ludwik Kranz、Samuel Keith Gorman、Brandur Thorgrimsson、Yu He、Daniel Keith、Joris Gerhard Keizer和Michelle Yvonne Simmons著的“利用单晶环境最小化硅中量子位上的电荷噪声”，2020年8月23日，高级材料。Doi：10.1002/adma.202003361

由D.Keith、M. G.House、M. B.Donnelly、T. F.Watson、B.Weber和M. Y.Simmons所著，2019年10月3日出版，Physical Review X.DOI：10.1103/PhysRevX.9.041003