達到量子「最佳點」：研究人員發現矽中原子量子位的最佳位置

2020-12-02 工程學習

矽中兩個相互作用的供體的原子級圖像。來源：CQC2T

量子計算和通信技術卓越中心（CQC 2 T）的研究人員與矽量子計算（SQC）合作，找到了在矽中定位量子位以擴大基於原子的量子處理器的「最佳地點」。

通過將磷原子精確地放置在矽中來創建量子位或量子位，這是CQC 2 T主任Michelle Simmons教授率先提出的方法，是矽量子計算機開發中的世界領先方法。

在今天發表在《自然通訊》上的該團隊的研究中，事實證明，精確放置對於開發量子位之間的可靠交互或耦合至關重要。

領導這項研究的Sven Rogge教授說：「我們已經找到了在量子位之間創建可重複，強大和快速相互作用的最佳位置。」

「我們需要這些強大的交互作用來設計多qubit處理器，並最終設計出有用的量子計算機。」

兩個量子位的門（量子計算機的核心構件）使用成對的量子位之間的交互來執行量子運算。對於矽中的原子量子位，先前的研究表明，對於矽晶體中的某些位置，量子位之間的相互作用包含一個振蕩成分，這可能會減慢柵極操作並使其難以控制。

Rogge教授說：「近二十年來，相互作用的潛在振蕩特性一直被認為是擴大規模的挑戰。」

「現在，通過對量子位相互作用的新穎測量，我們對這些振蕩的性質有了深刻的理解，並提出了一種精確放置的策略，以使量子位之間的相互作用更牢固。這是許多人認為不可能的結果。 」

尋找晶體對稱性的「最佳點」

研究人員說，他們現在已經發現，精確放置量子位的位置對於創建強大而一致的交互至關重要。這一至關重要的見解對大規模處理器的設計具有重要意義。

該研究的主要作者貝努瓦·沃伊森博士說：「矽是一種各向異性的晶體，這意味著原子的放置方向會顯著影響它們之間的相互作用。」

「雖然我們已經知道了這種各向異性，但沒有人詳細探討過如何實際使用它來減輕振蕩的相互作用強度。」

「我們發現在矽晶體的特定平面內存在一個特殊的角度或最佳點，量子位之間的相互作用最有彈性。重要的是，可以利用現有的掃描隧道顯微鏡（STM）光刻技術來實現最佳點。在UNSW。」

「最後，問題及其解決方案都直接源於晶體對稱性，因此這是一個不錯的選擇。」

通過使用STM，該團隊能夠在二維圖像中繪製出原子的波函數並確定其在矽晶體中的確切空間位置-2014年首次在《自然材料》上發表了研究，並在2016年自然納米技術論文中得到了進一步證明。

在最新研究中，研究小組使用相同的STM技術觀察耦合的原子量子位之間相互作用的原子尺度細節。

Voisin博士說：「使用我們的量子態成像技術，我們可以首次觀察到波函數的各向異性以及直接在平面上的幹涉效應，這是了解該問題如何發展的起點。」

「我們了解到在解決問題之前，我們必須首先分別計算出這兩種成分的影響，然後才能找到解決問題的最佳方法，這很容易與原子放置精度兼容由我們的STM光刻技術提供。」

逐個原子地構建矽量子計算機

CQC 2 T的UNSW科學家在用矽構建基於原子的量子計算機的競賽中處於世界領先地位。CQC 2 T及其相關的商業化公司SQC的研究人員是世界上唯一能夠查看其量子位在固態中確切位置的團隊。

在2019年，Simmons組在其精密放置方法上達到了一個重要的裡程碑-該團隊首先通過將兩個原子qubit並排放置，從而在矽中構建最快的2 qubit門，然後可控地實時觀察和測量其自旋狀態。該研究發表在《自然》上。

現在，隨著Rogge團隊的最新進展，來自CQC 2 T和SQC的研究人員可以在大型系統中使用這些交互功能，以實現可擴展處理器。

西蒙斯教授說：「能夠觀察和精確地將原子放置在我們的矽晶片中，繼續為在矽中製造量子計算機提供競爭優勢。」

Simmons，Rogge和Rahman的組合團隊正在與SQC合作，以矽製造第一臺有用的商用量子計算機。同場CQC 2 T於新南威爾斯大學雪梨校區，SQC的目標是打造最優質，最穩定的量子處理器。

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