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L'opération quantique la plus rapide à ce jour – Newstrotteur

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La professeure Michelle Simmons, dirigée par l'Australien de l'année 2018, a réalisé la première barrière à deux qubits entre deux qubits atomiques en silicium – un jalon majeur dans la quête de l'équipe pour la construction d'un ordinateur quantique à l'échelle atomique. La pièce maîtresse de la recherche a été publiée aujourd'hui dans la revue La nature.

Une porte à deux qubits est la pierre angulaire de tout ordinateur quantique – et la version de l'équipe de UNSW est la plus rapide jamais démontrée en silicium, complétant une opération en 0,8 nanosecondes, soit environ 200 fois plus rapidement que les autres systèmes existants. à base de deux qubits.

Dans l'approche de groupe de Simmons, une porte à deux qubits est une opération entre deux spins d'électrons – comparable au rôle joué par les portes logiques classiques dans l'électronique conventionnelle. Pour la première fois, l'équipe a pu créer une porte de deux qubits en plaçant deux qubits d'atomes plus rapprochés que jamais auparavant, puis – en temps réel – en contrôlant et en mesurant leurs états de spin.

L’approche unique adoptée par l’équipe pour l’informatique quantique nécessite non seulement l’implantation de qubits d’atomes individuels dans le silicium, mais également l’ensemble des circuits associés permettant d’initialiser, de contrôler et de lire les qubits à l’échelle nanométrique – un concept qui requiert une précision aussi exquise qu’on l’a longtemps pensé être impossible. Mais avec cette étape majeure, l’équipe est désormais bien placée pour traduire sa technologie en processeurs évolutifs.

Le professeur Simmons, directeur du centre d’excellence en calcul quantique et en technologies de la communication (CQC2T) et fondateur de Silicon Quantum Computing Pty Ltd., déclare que les résultats obtenus au cours des 10 dernières années ont parfaitement préparé l’équipe pour repousser les limites de ce que l’on pense être ". humainement possible. "

"Les qubits Atom détiennent le record du monde des temps de cohérence les plus longs d'un qubit en silicium avec la plus grande fidélité", dit-elle. "En utilisant nos technologies de fabrication uniques, nous avons déjà démontré notre capacité à lire et à initialiser avec une très grande précision des spins d'électrons uniques sur des bits de silicium en silicium. Nous avons également démontré que nos circuits à l'échelle atomique ont le bruit électrique le plus faible de tous les systèmes à ce jour conçu pour se connecter à un qubit semi-conducteur.

«L’optimisation de chaque aspect de la conception de l’appareil avec une précision atomique nous permet maintenant de construire une porte très rapide et extrêmement précise, qui est la pierre angulaire d’un ordinateur quantique évolutif à base de silicium.

"Nous avons vraiment montré qu'il est possible de contrôler le monde à l'échelle atomique – et que les avantages de l'approche sont transformationnels, y compris la vitesse remarquable à laquelle notre système fonctionne."

La professeure Emma Johnston, directrice des sciences de l'UNSW, explique que cet article clé montre à quel point la recherche du professeur Simmons est révolutionnaire.

"C’était l’un des derniers jalons de l’équipe de Michelle pour démontrer qu’elle peut réellement créer un ordinateur quantique utilisant des bits quantiques en atomes. Leur prochain objectif majeur est de construire un circuit intégré quantique à 10 qubits – et nous espérons qu’ils l’atteindront d’ici à 3-4 ans. "

Se lever et se rapprocher avec des qubits – une ingénierie avec une précision d'un milliardième de mètre

En utilisant un microscope à effet tunnel pour placer et encapsuler avec précision des atomes de phosphore dans du silicium, l'équipe a d'abord dû déterminer la distance optimale entre deux qubits pour permettre l'opération cruciale.

"Notre technique de fabrication nous permet de placer les qubits exactement où nous le voulons. Cela nous permet de concevoir notre porte deux qubits de manière à être aussi rapide que possible", a déclaré Sam Gorman, co-auteur principal de l'étude, de CQC2T.

"Non seulement nous avons rapproché les qubits depuis notre dernière percée, mais nous avons appris à contrôler chaque aspect de la conception de l'appareil avec une précision sub-nanométrique afin de maintenir les hautes fidélité."

Observer et contrôler les interactions qubit en temps réel

L’équipe a ensuite pu mesurer l’évolution en temps réel des états de qubits. Et, le plus passionnant, les chercheurs ont montré comment contrôler la force d'interaction entre deux électrons sur l'échelle de temps nanosecondes.

"Il est important de pouvoir rapprocher ou éloigner les électrons du qubit, en activant et désactivant efficacement leur interaction, condition préalable à une porte quantique", déclare l'autre co-auteur principal, Yu He.

"Le confinement étroit des électrons du qubit, unique dans notre approche, et le faible bruit inhérent à notre système nous ont permis de démontrer la porte à deux qubit la plus rapide en silicium à ce jour."

"La porte quantique que nous avons démontrée, appelée porte SWAP, est également parfaitement adaptée au transfert d'informations quantiques entre qubits – et, lorsqu'elle est combinée à une porte unique, elle vous permet d'exécuter n'importe quel algorithme quantique."

Une chose d'impossibilité physique? Plus maintenant

Selon le professeur Simmons, il s’agit de l’aboutissement de deux décennies de travail.

"C’est une avancée énorme: pouvoir contrôler la nature à son plus petit niveau, de manière à pouvoir créer des interactions entre deux atomes mais aussi dialoguer individuellement avec chacun d’eux sans déranger l’autre, c’est incroyable. Beaucoup de gens ont pensé que ce ne serait pas possible ", dit-elle.

"La promesse a toujours été que si nous pouvions contrôler le monde du qubit à cette échelle, ils seraient rapides et ils le sont vraiment!"

Que sont les qubits?

Dans l'approche du professeur Michelle Simmons, les bits quantiques (ou qubits) sont fabriqués à partir d'électrons hébergés sur des atomes de phosphore dans le silicium. La création de qubits en positionnant et encapsulant avec précision des atomes de phosphore individuels dans une puce de silicium est une approche australienne unique que l'équipe du professeur Simmons a menée à l'échelle mondiale. Ces types de qubits sont une plate-forme prometteuse pour les ordinateurs quantiques à grande échelle, grâce à leur stabilité durable.

Le potentiel quantique: un ordinateur quantique à grande échelle en activité a le potentiel de transformer l’économie de l’information et de créer les industries du futur, en résolvant en quelques heures ou en quelques minutes des problèmes qui prendraient des ordinateurs classiques – même des supercalculateurs – pendant des siècles, et s’attaquant autrement à une solution insoluble. problèmes que même les superordinateurs ne pourraient pas résoudre dans un délai utile. Les applications potentielles comprennent l'apprentissage automatique, la planification et la planification logistique, l'analyse financière, la modélisation boursière, la vérification des logiciels et du matériel informatique, la conception et le test rapides de médicaments, ainsi que la détection et la prévention précoces des maladies.

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