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雙量子比特門 最快的量子運算

由2018年澳大利亞年度最佳澳大利亞教授Michelle Simmons領導的一組科學家在硅片中實現了原子量子位之間的第一個雙量子比特門 - 這是該團隊尋求構建原子級量子計算機的一個重要里程碑。關鍵的研究成果今天發表在世界著名的自然雜志上。

兩個量子位的門是任何量子計算機的中心構建塊 - 新南威爾士大學的團隊版本是硅中最快的版本,完成了0.8納秒的操作,比其他現有的旋轉快?200倍基于雙量子比特門。

在西蒙斯的小組方法中,兩個量子比特門是兩個電子自旋之間的操作 - 與傳統邏輯門在傳統電子設備中的作用相當。這個團隊第一次能夠通過將兩個原子量子比特放在一起比以往更加靠近來構建一個雙量子比特門,然后實時可控制地觀察和測量它們的自旋狀態。

該團隊獨特的量子計算方法不僅需要在硅片中放置單個原子量子位,還需要在納米尺度上初始化,控制和讀出量子位的所有相關電路 - 這一概念需要如此精確的精度,而人們一直認為不可能。但憑借這一重要里程碑,該團隊現在可以將其技術轉化為可擴展的處理器。

量子計算和通信技術卓越中心(CQC2T)主任,硅量子計算有限公司創始人西蒙斯教授表示,過去十年的先前成果完美地讓團隊改變了被認為是“邊界”的界限。人性可能“。

她說:“Atom量子比特擁有世界紀錄,這是硅片量子比特最長的相干時間,具有最高的保真度。” “利用我們獨特的制造技術,我們已經證明了能夠以非常高的精度讀取和初始化硅中原子量子位上的單電子自旋的能力。我們還證明了我們的原子級電路具有任何系統中最低的電噪聲設計連接到半導體量子比特。

“以原子精度優化器件設計的各個方面現在使我們能夠構建一個真正快速,高度精確的雙量子比特門,這是可擴展的基于硅的量子計算機的基本構建塊。

“我們確實已經證明,有可能在原子尺度上控制世界 - 而且這種方法的好處是變革性的,包括我們系統運行的顯著速度。”

新南威爾士大學科學院院長Emma Johnston教授說,這篇重要論文進一步說明了西蒙斯教授的研究是如何開創性的。

“這是米歇爾團隊的最后里程碑之一,用于證明他們實際上可以使用原子量子比特制作量子計算機。他們的下一個主要目標是構建一個10比特的量子集成電路 - 我們希望他們能在3到4年內達到這一目標。”

使用量子比特工程學習和關閉,精度僅為千分之一米

使用掃描隧道顯微鏡精確放置和封裝硅中的磷原子,該團隊首先必須計算出兩個量子比特之間的最佳距離,以實現關鍵操作。

“我們的制造技術使我們能夠將量子位置準確放置在我們想要的位置。這使我們能夠盡可能快地設計出我們的雙量子比特門,”來自CQC2T的研究首席合著者Sam Gorman說。

“自從我們最后一次突破以來,我們不僅使量子比特更加接近,而且我們學會了以亞納米精度控制器件設計的各個方面,以保持高保真度。”

實時觀察和控制量子比特交互

然后,該團隊能夠實時測量量子比特狀態如何演變。而且,最令人興奮的是,研究人員展示了如何在納秒級時間尺度上控制兩個電子之間的相互作用強度。

“重要的是,我們能夠使量子比特的電子更近或更遠,有效地打開和關閉它們之間的相互作用,這是量子門的先決條件,”其他主要合著者Yu He說。

“我們的方法獨有的量子比特電子的嚴格限制,以及我們系統中固有的低噪聲使我們能夠展示迄今為止最快的兩個量子比特門。”

“我們演示的量子門,即所謂的SWAP門,也非常適合在量子位之間穿梭量子信息 - 當與單個量子位門結合使用時,可以運行任何量子算法。”

身體不可能的事情?不再

西蒙斯教授說,這是二十年工作的高潮。

“這是一個巨大的進步:能夠控制自然的最小水平,以便我們可以創造兩個原子之間的相互作用,但也可以單獨地與每個原子交談而不會打擾另一個原子是不可思議的。很多人認為這不會是可能,“她說。

“我們一直承諾,如果我們能夠以這種規模控制量子比特世界,他們就會很快,而且他們肯定是!”

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