Les ingénieurs de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud ont considérablement augmenté la durée pendant laquelle leurs processeurs informatiques quantiques peuvent stocker des informations.
Les ingénieurs en informatique quantique ont établi une nouvelle norme pour les performances des puces en silicium.
Dans le monde de
” data-gt-translate-attributes=”[{” attribute=””>quantum computing, two milliseconds, or two thousandths of a second, is a very long period of time.
On these timescales, a blink of an eye — one-tenth of a second — seems like eternity.
Researchers from the University of New South Wales have now broken new ground in demonstrating that ‘spin qubits,’ which are the fundamental informational units of quantum computers, can store data for up to two milliseconds. The accomplishment is 100 times longer than prior benchmarks in the same quantum processor for what is known as “coherence time,” the amount of time qubits can be manipulated in increasingly complicated calculations.
“Longer coherence time means you have more time over which your quantum information is stored – which is exactly what you need when doing quantum operations,” says Ph.D. student Ms. Amanda Seedhouse, whose work in theoretical quantum computing contributed to the achievement.
“The coherence time is basically telling you how long you can do all of the operations in whatever algorithm or sequence you want to do before you’ve lost all the information in your qubits.”
Ingvild Hansen and Amanda Seedhouse in the laboratory where quantum computing experiments are carried out. Credit: UNSW/Richard Freeman
The more spins you can keep in motion in quantum computing, the more likely it is that information will be maintained during calculations. The calculation collapses when the spin qubits cease spinning, and the values represented by each qubit are lost. In 2016, quantum engineers at the University of New South Wales confirmed experimentally the concept of extending coherence.
Making matters more difficult, working quantum computers of the future will need to keep track of the values of millions of qubits if they are to solve some of humanity’s most difficult problems, such as the search for effective vaccines, modeling weather systems, and predicting the effects of climate change.
Late last year the same team at the University of New South Wales solved a technical problem that had stumped engineers for decades on how to manipulate millions of qubits without generating more heat and interference. Rather than adding thousands of tiny antennas to control millions of electrons with magnetic waves, the research team came up with a way to use just one antenna to control all the qubits in the chip by introducing a crystal called a dielectric resonator. They published these findings in the journal Science Advances.
This solved the problem of space, heat, and noise that would inevitably increase as more and more qubits are brought online to carry out the mind-bending calculations that are possible when qubits not only represent 1 or 0 like conventional binary computers but both at once, using a phenomenon known as quantum superposition.
Global vs individual control
However, this proof-of-concept achievement still left a few challenges to solve. Lead researcher Ms. Ingvild Hansen joined Ms. Seedhouse to address these issues in a series of papers published in the journals Physical Review B, Physical Review A, and Applied Physics Reviews.
Being able to control millions of qubits with just one antenna was a large step forward. But while control of millions of qubits at once is a great feat, working quantum computers will also need them to be manipulated individually. If all the spin qubits are rotating at nearly the same frequency, they will have the same values. How can we control them individually so they can represent different values in a calculation?
“First we showed theoretically that we can improve the coherence time by continuously rotating the qubits,” says Ms. Hansen.
“If you imagine a circus performer spinning plates, while they’re still spinning, the performance can continue. In the same way, if we continuously drive qubits, they can hold information for longer. We showed that such ‘dressed’ qubits had coherence times of more than 230 microseconds [230 millionths of a second].”
Après que l’équipe a montré que les temps de cohérence pouvaient être prolongés avec des qubits dits “habillés”, le défi suivant était de rendre le protocole plus robuste et de montrer que les électrons contrôlés globalement peuvent également être contrôlés individuellement afin qu’ils puissent contenir différentes valeurs nécessaires. pour les calculs complexes.
Ceci a été réalisé en créant ce que l’équipe a surnommé le protocole qubit “SMART” – modulé sinusoïdalement, toujours en rotation et sur mesure.
Plutôt que de faire tourner les qubits en cercles, ils les ont manipulés pour basculer d’avant en arrière comme un métronome. Ensuite, si un champ électrique est appliqué individuellement à n’importe quel qubit – le mettant hors de résonance – il peut être mis dans un tempo différent de ses voisins, mais se déplaçant toujours au même rythme.
“Pensez-y comme à deux enfants sur une balançoire qui avancent et reculent à peu près de manière synchronisée”, explique Mme Seedhouse. “Si nous donnons un coup de pouce à l’un d’entre eux, nous pouvons les amener à atteindre la fin de leur arc aux extrémités opposées, de sorte que l’un peut être un 0 quand l’autre est maintenant un 1.”
Le résultat est que non seulement un qubit peut être contrôlé individuellement (électroniquement) sous l’influence d’un contrôle global (magnétiquement), mais que le temps de cohérence est, comme indiqué précédemment, sensiblement plus long et adapté aux calculs quantiques.
“Nous avons montré un moyen simple et élégant de contrôler tous les qubits à la fois, qui s’accompagne également de meilleures performances”, déclare le Dr Henry Yang, l’un des chercheurs principaux de l’équipe.
“Le protocole SMART sera une voie potentielle pour les ordinateurs quantiques à grande échelle.”
L’équipe de recherche est dirigée par le professeur Andrew Dzurak, PDG et fondateur de Diraq, une société dérivée de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud qui développe des processeurs informatiques quantiques qui peuvent être fabriqués à l’aide de la fabrication standard de puces en silicium.
Prochaines étapes
“Notre prochain objectif est de montrer que cela fonctionne avec des calculs à deux qubits après avoir montré notre preuve de concept dans notre article expérimental avec un qubit”, déclare Mme Hansen.
“Après cela, nous voulons montrer que nous pouvons également le faire pour une poignée de qubits, pour montrer que la théorie est prouvée dans la pratique.”
Références : “Résonance de spin à un électron dans un dispositif nanoélectronique utilisant un champ global” par Ensar Vahapoglu, James P. Slack-Smith, Ross CC Leon, Wee Han Lim, Fay E. Hudson, Tom Day, Tuomo Tanttu, Chih Hwan Yang , Arne Laucht, Andrew S. Dzurak et Jarryd J. Pla, 13 août 2021, Avancées scientifiques.
DOI : 10.1126/sciadv.abg9158
“Protocole de calcul quantique pour les spins habillés dans un champ global” par Amanda E. Seedhouse, Ingvild Hansen, Arne Laucht, Chih Hwan Yang, Andrew S. Dzurak et Andre Saraiva, 9 décembre 2021, Examen physique B.
DOI : 10.1103/PhysRevB.104.235411
“Ingénierie d’impulsions d’un champ mondial pour le calcul quantique robuste et universel” par Ingvild Hansen, Amanda E. Seedhouse, Andre Saraiva, Arne Laucht, Andrew S. Dzurak et Chih Hwan Yang, 9 décembre 2021, Examen physique A.
DOI : 10.1103/PhysRevA.104.062415
“Mise en œuvre d’un protocole d’habillage avancé pour le contrôle global des qubits dans le silicium” par I. Hansen, AE Seedhouse, KW Chan, FE Hudson, KM Itoh, A. Laucht, A. Saraiva, CH Yang et AS Dzurak, 27 septembre 2022, Examens de physique appliquée.
DOI : 10.1063/5.0096467
L’étude a été financée par l’Australian Research Council, l’armée américaine et l’Australian National Fabrication Facility.
