Visualisierung eines verschränkten Drei-Qubit-Systems. (Tony Melov/WAS) Ein wichtiger Meilenstein wurde gerade erreicht Quanten-Computing .
Drei separate Teams auf der ganzen Welt haben die Genauigkeitsschwelle von 99 Prozent für siliziumbasiertes Quantencomputing überschritten und fehlerfreie Quantenoperationen in greifbare Nähe gerückt.
In Australien erreichte ein Team unter der Leitung des Physikers Andrea Morello von der University of New South Wales eine Genauigkeit von 99,95 Prozent bei Ein-Qubit-Operationen und 99,37 Prozent bei Zwei-Qubit-Operationen in einem Drei-Qubit-System.
In den Niederlanden erreichte ein Team unter der Leitung des Physikers Seigo Tarucha von der Technischen Universität Delft eine Genauigkeit von 99,87 Prozent für Ein-Qubit-Operationen und 99,65 Prozent für Zwei-Qubit-Operationen in Quantenpunkten.
In Japan schließlich erreichte ein Team unter der Leitung des Physikers Akito Noiri von RIKEN eine Genauigkeit von 99,84 Prozent für Ein-Qubit-Operationen und 99,51 Prozent für Zwei-Qubit-Operationen, ebenfalls in Quantenpunkten.
Alle drei Teams haben ihre Ergebnisse im Journal veröffentlicht Natur Heute .
„Heutige Veröffentlichung in Natur zeigt, dass unser Betrieb zu 99 Prozent fehlerfrei war“, Sagt Morello .
„Wenn die Fehler so selten sind, ist es möglich, sie zu erkennen und zu korrigieren, wenn sie auftreten.“ Dies zeigt, dass es möglich ist, zu bauen Quantencomputer die über genügend Umfang und Leistung verfügen, um sinnvolle Berechnungen durchzuführen.'
Quantencomputing basiert auf der Quantenmechanik als Grundlage für Operationen. Informationen werden in Qubits oder Quantenbits kodiert, dem Quantencomputer-Äquivalent von Binärbits, den Grundeinheiten der Information.
Wenn Bits jedoch Informationen in einem von zwei Zuständen verarbeiten – einer 1 oder einer 0 – kann sich ein Qubit gleichzeitig im Zustand einer 1, einer 0 oder beiden befinden.
Der letztgenannte Zustand – 1 und 0 gleichzeitig – wird als Superposition bezeichnet. Aufrechterhaltung der Überlagerung der Qubits ermöglicht Quantencomputer um komplexe mathematische Probleme zu lösen, indem Berechnungen auf der Grundlage durchgeführt werden Wahrscheinlichkeit des Zustands eines Objekts bevor es gemessen wird. Dieses Unterfangen ist jedoch sehr fehleranfällig und die Verbesserung der Genauigkeit von Quantenoperationen war Gegenstand intensiver Untersuchungen.
Im Jahr 2014 konnten Morello und seine Kollegen eine satte Lebensdauer von 35 Sekunden für Quanteninformationen in einem Siliziumsubstrat nachweisen. Ihre Qubits basierten auf den Spinzuständen von Kernen, die isoliert von ihrer Umgebung die Einstellung eines ermöglichten neuer Zeitmaßstab . Aber gerade diese Isolation erwies sich auch als Problem: Sie erschwerte den Qubits die Kommunikation untereinander, die für die Durchführung von Quantenberechnungen notwendig ist.
Um dieses Problem zu lösen, führten Morello und sein Team durch Ionenimplantation in das Silizium ein Elektron in ihr System aus zwei Phosphorkernen ein, einer der grundlegenden Prozesse zur Herstellung von Mikrochips. So haben sie ihr Drei-Qubit-System erstellt und es hat funktioniert.
„Wenn man zwei Kerne hat, die mit demselben Elektron verbunden sind, kann man sie dazu bringen, eine Quantenoperation durchzuführen.“ sagte der Physiker Mateusz Mądzik von UNSW.
„Während Sie das Elektron nicht steuern, speichern diese Kerne ihre Quanteninformationen sicher.“ Aber jetzt hat man die Möglichkeit, sie über das Elektron miteinander kommunizieren zu lassen, um universelle Quantenoperationen zu realisieren, die an jedes Rechenproblem angepasst werden können.“
Die anderen beiden Teams verfolgten einen anderen Ansatz. Sie stellten Quantenpunkte aus Silizium und einer Silizium-Germanium-Legierung her und installierten ein Zwei-Elektronen-Qubit-Gate; das heißt, ein Schaltkreis aus mehreren Qubits. Anschließend optimierten sie die an ihre jeweiligen Systeme angelegte Spannung mithilfe eines Protokolls namens Gate-Set-Tomographie um ihre Systeme zu charakterisieren.
Beide Teams stellten fest, dass auch sie eine Wiedergabetreue ihrer Systeme von über 99 Prozent erreicht hatten.
„Das präsentierte Ergebnis macht Spin-Qubits im Hinblick auf die universelle Quantenkontrollleistung erstmals konkurrenzfähig gegenüber supraleitenden Schaltkreisen und Ionenfallen.“ sagt Tarucha .
„Diese Studie zeigt, dass Silizium-Quantencomputer vielversprechende Kandidaten sind.“ Supraleitung und Ionenfallen für Forschung und Entwicklung zur Realisierung großer Quantencomputer.“
Allein jedes dieser Papiere wäre eine bedeutende Errungenschaft. Die Tatsache, dass alle drei Teams unabhängig voneinander denselben Meilenstein erreicht haben, deutet darauf hin, dass das Quantencomputing nun rasant voranschreiten wird.
„Normalerweise benötigt man Fehlerraten unter 1 Prozent, um Protokolle zur Quantenfehlerkorrektur anzuwenden.“ Sagt Morello .
„Nachdem wir dieses Ziel nun erreicht haben, können wir mit der Entwicklung von Silizium-Quantenprozessoren beginnen, die skalierbar sind und zuverlässig für nützliche Berechnungen arbeiten.“
Die drei Artikel wurden in veröffentlicht Natur . Sie können gefunden werden Hier , Hier Und Hier .