科学家创造了Quietest半导体量子位-噪声比以前的记录低10倍

艺术家的印象是，硅中的原子量子位受到保护，免受材料环境中的缺陷所引起的电荷噪声的影响。

由2018年度澳大利亚教授Michelle Simmons领导的团队在硅量子计算机的开发方面又向前迈出了重要的一步。

悉尼新南威尔士大学的研究人员已经证明了有史以来最低的半导体量子位或量子位噪声级。该研究发表在《先进材料》上。

为了使量子计算机执行有用的计算，量子信息必须接近100％的准确度。由托管量子比特的物质环境中的缺陷引起的电荷噪声会干扰在量子比特上编码的量子信息，从而影响信息的准确性。

新南威尔士大学量子计算与通信技术中心的博士生Ludwik Kranz说：“半导体量子位中的电荷噪声水平一直是实现大规模纠错量子计算机所需精度水平的关键障碍。” （CQC2T）与该中心的衍生公司Silicon Quantum Computing（SQC）合作。

“我们的研究表明，我们可以将电荷噪声降低到非常低的水平，从而将其对我们的量子比特的影响降到最低，” Kranz说。

“通过优化硅芯片的制造工艺，我们实现了比以前记录低10倍的噪声水平。这是所有半导体量子位中最低的记录电荷噪声。”

主要作者Ludwik Kranz用扫描隧道显微镜将磷原子精确放置并封装在硅中。

创建安静的量子位

Simmons教授自2000年以来一直倡导的方法是，由电子在硅原子量子位上承载的量子位，为大型量子计算机提供一个有希望的平台。

但是，托管在任何半导体平台（例如硅）中的量子位对电荷噪声很敏感。

研究小组的研究表明，硅芯片内部或表面界面处存在缺陷是造成电荷噪声的重要原因。

“这真是令人惊讶，因为我们花了很多时间来优化我们的硅芯片的质量，但这表明即使附近只有很少的杂质也会影响噪声，” Kranz说。

通过减少硅芯片中的杂质并使原子远离产生大多数噪声的表面和界面，该团队能够创造破纪录的结果。

“我们的结果继续表明，硅是承载量子位的绝佳材料。凭借我们对量子位环境各个方面进行工程设计的能力，我们系统地证明了硅中的原子量子位是可重现，快速且稳定的。” CQC2T主任Michelle Simmons教授说。

我们的下一个挑战是转移到同位素纯净的Si-28中，以利用该系统中已证明的长相干时间。

时间就是一切

研究小组使用新制造的硅芯片进行了一系列实验，以表征电荷噪声，并获得了意想不到的结果。

CQC2T的合著者Sam Gorman博士说：“我们使用单个电子晶体管和一个交换耦合的qubit对来测量电荷噪声，它们在很宽的频率范围内共同提供一致的电荷噪声频谱。”

这些测量揭示了影响充电噪声的关键因素-时间。

“从我们测量的噪声频谱来看，我们知道计算时间越长–噪声对我们系统的影响越大，” Gorman博士说。

“这对未来设备的设计有重大影响，量子运算需要在极短的时间内完成，以使电荷噪声不会随着时间的推移而变差，从而增加了计算的误差。”

系统地致力于商业化的硅量子计算机

为了执行大规模量子计算所需的无差错计算，两量子位门（任何量子计算机的核心组成部分）都需要超过99％的保真度或准确性。为了达到保真度阈值，量子操作必须稳定且快速。

在最近发表于《物理评论X》上的一篇论文中，席梦思小组利用其原子精度能力，展示了在1微秒内读出量子位的能力。

“这项研究与我们最低的电荷噪声结果相结合，表明可以实现硅原子量子比特的99.99％保真度，”同时也是硅量子计算（SQC）创始人的西蒙斯教授说。

“我们的团队现在正在努力在单个设备上提供所有这些关键结果-快速，稳定，高保真度和较长的相干时间-迈出了向硅全尺寸量子处理器迈出的重要一步。”

Simmons教授正在与SQC合作，以硅制造第一台有用的商用量子计算机。SQC的目标是与CQC2T一起位于UNSW悉尼校区，以证明其到2023年可靠地生产10量子位原型量子集成处理器所需的能力。

Simmons教授说：“我们团队的结果进一步证实，我们独特的方法-在硅中精确定位磷原子-是构建硅量子计算机商业化所需的经过纠错的大规模体系结构的极有希望的前景。”

参考：

Ludwik Kranz，Samuel Keith Gorman，Brandur Thorgrimsson，Yu He，Daniel Keith，Joris Gerhard Keizer和Michelle Yvonne Simmons，“利用单晶环境以最小化硅中量子位上的电荷噪声”，Advanced Materials.DOI ：
10.1002 / adma.202003361

D. Keith，M.G.“在散粒噪声灵敏度极限附近的半导体中的单次自旋自旋读出”议院，工商管理硕士唐纳利（美国）沃森，B。韦伯和M.Y.席梦思，2019年10月3日，实物评论X.DOI：
10.1103 / PhysRevX.9.041003