新南威尔士大学 硅中两个相互作用施主的原子尺度图像
信用:CQC2T 量子计算和通信技术卓越中心(CQC2T)与硅量子计算(SQC)合作的研究人员已经找到了将量子位定位在硅中以扩大基于原子的量子处理器的“最佳位置”
通过在硅中精确地放置磷原子来创造量子位，这种方法是由CQC2T主管米歇尔·西蒙斯教授首创的，是开发硅量子计算机的世界领先方法
在该团队今天发表在《自然通讯》上的研究中，精确放置被证明对于发展量子位之间的强大相互作用(或耦合)至关重要
领导这项研究的斯文·罗格教授说:“我们已经找到了最佳位置，在量子位之间创造出可再现的、强有力的、快速的相互作用。”
“我们需要这些强大的相互作用来设计一个多量子位处理器，最终成为一台有用的量子计算机
" 双量子位门——量子计算机的中心构件——利用成对量子位之间的相互作用来执行量子操作
对于硅中的原子量子位，先前的研究表明，对于硅晶体中的某些位置，量子位之间的相互作用包含一种振荡成分，这种振荡成分可能会减慢栅极操作，使它们难以控制
“近二十年来，相互作用的潜在振荡性质一直被预测为扩大规模的挑战，”教授说
罗格说
“现在，通过对量子位相互作用的新颖测量，我们对这些振荡的本质有了深入的了解，并提出了一种精确放置的策略，以使量子位之间的相互作用更加稳固
这是一个许多人认为不可能的结果
" 找到晶体对称性的“最佳点” 研究人员说，他们现在已经发现，量子位的确切位置对于创造强大而一致的相互作用至关重要
这一至关重要的见解对大规模处理器的设计具有重要的意义
“硅是一种各向异性晶体，这意味着原子的放置方向会显著影响它们之间的相互作用，”博士说
贝努瓦·沃辛，这项研究的主要作者
“虽然我们已经知道了这种各向异性，但没有人详细探索过它实际上是如何用来减轻振荡相互作用强度的
" “我们发现，在硅晶体的特定平面内，量子位之间的相互作用最有弹性的地方，有一个特殊的角度，或称最佳点
重要的是，这个最佳点可以通过UNSW现有的扫描隧道显微镜光刻技术来实现
" “最终，问题及其解决方案都直接源于晶体对称性，所以这是一个很好的转折
" 使用扫描隧道显微镜，该团队能够在二维图像中绘制出原子的波函数，并识别它们在硅晶体中的确切空间位置——2014年首次用发表在《自然材料》上的研究证明了D，并在2016年的《自然纳米技术》论文中进行了推进
在最新的研究中，该团队使用相同的扫描隧道显微镜技术来观察耦合原子量子位之间相互作用的原子尺度细节
“使用我们的量子态成像技术，我们可以首次观察波函数的各向异性和直接在平面上的干涉效应——这是理解这个问题如何发展的起点，”博士说
瞧
“我们知道，我们必须首先分别计算出这两种成分的影响，然后才能看到解决问题的全貌——这就是我们找到这个最佳点的方法，它与我们的扫描隧道显微镜光刻技术提供的原子位置精度很容易兼容
" 一个原子一个原子地建造硅量子计算机 CQC2T的UNSW科学家正在引领世界在硅中制造基于原子的量子计算机的竞赛
CQC2T及其相关的商业化公司SQC的研究人员是世界上唯一能够看到他们的量子位在固态中的确切位置的团队
2019年，西蒙斯团队在精确放置方法上达到了一个重要的里程碑——该团队首先在硅中构建了最快的两个量子位门，将两个原子量子位放置在一起，然后可控地实时观察和测量它们的自旋状态
这项研究发表在《自然》杂志上
现在，随着罗格团队的最新进展，来自CQC2T和SQC的研究人员准备在更大规模的系统中使用这些交互来实现可扩展处理器
“能够在我们的硅芯片中观察和精确定位原子，继续为在硅中制造量子计算机提供竞争优势，”教授表示
西蒙斯
西蒙斯、罗格和拉赫曼的团队正与SQC合作，制造第一台有用的商用硅量子计算机
SQC的目标是建造最高质量、最稳定的量子处理器，它与CQC2T位于UNSW悉尼校区
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