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理论小组正在推动全球建立有用机器的努力

2019-04-18 11:28:09   来源:

利用悉尼大学纳米研究所和物理学院的量子物理学家的理论工作,已经实现了减少半导体电子“自旋量子位”误差的世界纪录结果,这是量子计算机的一种构建模块。

新南威尔士大学工程师的实验结果表明,误差率低至0.043%,低于任何其他电子自旋量子比特。悉尼和新南威尔士大学团队的联合研究论文于本周在“自然电子”杂志上发表,是4月份期刊的封面故事。

“在将量子计算机放大到有用的机器之前,需要减少量子计算机中的错误,”该论文的通讯作者Stephen Bartlett教授说。

量子计算机一旦大规模运行,就可以实现超出最大超级计算机能力的解决问题的巨大希望。这可以帮助人类解决化学,药物设计和工业方面的问题。“

存在许多类型的量子比特或量子比特,范围从使用捕获离子,超导环或光子的量子比特或量子比特。“自旋量子比特”是量子比特,其基于量子对象(例如电子)的量化磁方向对信息进行编码。

澳大利亚,特别是悉尼,正在成为量子技术的全球领导者。最近宣布为悉尼量子学院的建立提供资金,这突显了澳大利亚在悉尼建立量子经济的巨大机会,该量子经济基于世界上最大的量子研究团体。

没有理论就没有实践

虽然最近量子计算的重点一直放在硬件的进步上,但如果没有量子信息理论的发展,这些进步都不可能实现。

由Stephen Bartlett教授和Steven Flammia教授领导的悉尼大学量子理论小组是量子信息理论的世界强国之一,允许全球的工程和实验团队进行必要的艰苦的物理进步,以确保量子计算成为一个现实。

悉尼量子理论小组的工作对于在Nature Electronics上发表的世界纪录结果至关重要。

巴特利特教授说:“由于错误率非常小,新南威尔士大学的团队需要一些非常复杂的方法来检测错误。

“由于错误率如此之低,我们需要花费数天和数天的数据才能收集统计数据以显示偶然的错误。”

巴特利特教授说,一旦发现错误,就需要对其进行表征,消除和重新定性。

“Steve Flammia的小组是错误表征理论的世界领导者,用于实现这一结果,”他说。

Flammia集团最近首次展示了量子计算机的改进,该计算机使用的代码旨在使用IBM Q量子计算机检测和丢弃逻辑门或开关中的错误。

新南威尔士大学研究团队负责人Andrew Dzurak教授说:“与Bartlett和Flammia教授以及他们的团队合作,帮助我们了解我们在新南威尔士大学的硅CMOS量子比特中看到的错误类型,这是非常宝贵的。

“我们的首席实验家Henry Yang与他们密切合作,实现了99.957%的卓越保真度,这表明我们现在拥有世界上最准确的半导体量子比特。”

巴特利特教授说亨利杨的世界纪录成就可能会持续很长时间。他说,现在新南威尔士大学的团队和其他人将致力于在硅CMOS中构建两个量子比特和更高级别的阵列。

功能齐全的量子计算机将需要数百万甚至数十亿的量子比特才能运行。现在设计低误差量子位是扩展到这些器件的关键步骤。

Raymond Laflamme教授是加拿大滑铁卢大学量子信息系主任,并未参与该研究。他说:“随着量子处理器变得越来越普遍,悉尼大学的Bartlett小组开发了一种评估量子处理器的重要工具。它使我们能够表征量子门的精度,并使物理学家能够区分不连贯和相干误差导致对量子比特的空前控制。“

全球影响力

在哥本哈根Niels Bohr研究所的同一量子理论团队与实验主义者的论文之后不久,悉尼 - 新南威尔士大学的联合研究成果就出现了。

该结果发表在Nature Communications上,允许通过介体在电子之间进行远距离信息交换,从而改善了自旋量子位量子计算机中放大的体系结构的前景。

结果非常重要,因为它允许量子点之间的距离足够大,以便集成到更传统的微电子中。这项成就是哥本哈根,悉尼和普渡大学的物理学家共同努力的结果。

巴特利特教授说:“主要的问题是,让量子点相互作用需要它们相距几毫米 - 但是在这个距离上它们相互干扰,使得设备太难调谐以进行有用的计算。 “

解决方案是允许纠缠电子通过电子“池”介导它们的信息,使它们进一步分开。

他说:“有点像拥有一辆公共汽车 - 一个允许远距离旋转相互作用的大中介。如果你能够允许更多的自旋相互作用,那么量子结构可以转向二维布局。”

来自哥本哈根Niels Bohr研究所的Ferdinand Kuemmeth副教授说:“我们发现左点和右点之间有一个大而细长的量子点,在十亿分之一秒内介导自旋态的连贯交换,而不会移动电子出于他们的点。

巴特利特教授说:“作为一个理论家,我对这一结果感到兴奋的是,它使我们摆脱了仅依靠最近邻居的量子比特的约束几何。”

全球参与办公室

这个实验的历史可以追溯到美国情报高级研究项目活动(IARPA)项目的十年之后,该项目由查理马库斯教授领导,他是哈佛大学之前在哥本哈根访问之前的合着者。

巴特利特教授说:“我们都在2018年前往哥本哈根参加一个研讨会,部分是为了解决这个问题。论文的共同作者托马斯·埃文斯在全球参与办公室的支持下在那里待了两个月.OGE也支持正在研究另一个项目的Arne Grimsmo博士。“

他说,当我们获得OGE资金时,实验和我们的讨论已经取得了很大进展。但正是这个研讨会及其资金使悉尼团队能够前往哥本哈根,根据这一结果计划下一代实验。

巴特利特教授说:“这种方法可以让我们进一步分离量子点,使它们更容易分开调整,让它们一起工作。

“现在我们有了这个中介,我们可以开始计划这些量子点对的二维数组。”