Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Một kết quả kỷ lục thế giới trong việc giảm các lỗi trong electron bán dẫn, “qubit spin”, một loại khối xây dựng cho máy tính lượng tử, đã đạt được.
Một kết quả kỷ lục thế giới trong việc giảm sai số trong electron bán dẫn, “qubit spin”, một loại khối xây dựng cho máy tính lượng tử, đã đạt được bằng cách sử dụng công trình lý thuyết của các nhà vật lý lượng tử tại Viện Vật lý Đại học Sydney và Trường Vật lý.
Kết quả thí nghiệm của các kỹ sư của Đại học New South Wales đã chứng minh tỷ lệ lỗi thấp tới 0,043%, thấp hơn bất kỳ qubit điện tử nào khác. Bài viết nghiên cứu chung của các nhóm Sydney và UNSW đã được xuất bản trong tuần này trên tạp chí Nature Electronics và là câu chuyện trang bìa của tạp chí cho tháng Tư.
Giáo sư Stephen Bartlett, một tác giả của bài báo cho biết: “Giảm lỗi trong máy tính lượng tử là cần thiết trước khi chúng có thể được nhân rộng thành các máy hữu ích”.
“Một khi chúng hoạt động ở quy mô, máy tính lượng tử có thể mang đến lời hứa tuyệt vời để giải quyết các vấn đề vượt quá khả năng của cả những siêu máy tính lớn nhất. Điều này có thể giúp loài người giải quyết các vấn đề về hóa học, thiết kế thuốc và công nghiệp.”
Có nhiều loại bit lượng tử, hoặc qubit, từ những loại sử dụng các ion bị bẫy, các vòng siêu dẫn hoặc photon. Một “qubit spin” là một bit lượng tử mã hóa thông tin dựa trên hướng từ tính được lượng tử hóa của một vật thể lượng tử, chẳng hạn như electron.
Úc và Sydney nói riêng, đang nổi lên như một nhà lãnh đạo toàn cầu về công nghệ lượng tử. Thông báo gần đây tài trợ cho việc thành lập Học viện lượng tử Sydney, nhấn mạnh cơ hội lớn ở Úc để xây dựng nền kinh tế lượng tử dựa trên sự tập trung lớn nhất của các nhóm nghiên cứu lượng tử ở Sydney tại Sydney.
Không có thực hành mà không có lý thuyết
Trong khi phần lớn sự tập trung gần đây vào điện toán lượng tử là về những tiến bộ trong phần cứng, không có tiến bộ nào trong số này có thể thực hiện được nếu không có sự phát triển của lý thuyết thông tin lượng tử.
Nhóm lý thuyết lượng tử của Đại học Sydney, dẫn đầu bởi Giáo sư Stephen Bartlett và Giáo sư Steven Flammia, là một trong những cường quốc về lý thuyết thông tin lượng tử, cho phép các nhóm kỹ thuật và thí nghiệm trên toàn cầu biến những tiến bộ vật lý cần thiết để đảm bảo điện toán lượng tử trở thành một thực tế.
Công trình của nhóm lý thuyết lượng tử Sydney rất cần thiết cho kết quả kỷ lục thế giới được công bố trên tạp chí Nature Electronics .
Giáo sư Bartlett nói: “Vì tỷ lệ lỗi quá nhỏ, nhóm UNSW cần một số phương pháp khá tinh vi để thậm chí có thể phát hiện ra các lỗi.
“Với tỷ lệ lỗi thấp như vậy, chúng tôi cần chạy dữ liệu trong nhiều ngày và chỉ để thu thập số liệu thống kê để hiển thị lỗi không thường xuyên.”
Giáo sư Bartlett cho biết một khi các lỗi được xác định, chúng cần được đặc trưng, loại bỏ và kiểm tra lại.
“Nhóm của Steve Flammia là những nhà lãnh đạo thế giới trong lý thuyết về đặc tính lỗi, được sử dụng để đạt được kết quả này”, ông nói.
Nhóm Flammia gần đây đã lần đầu tiên chứng minh sự cải tiến trong các máy tính lượng tử sử dụng các mã được thiết kế để phát hiện và loại bỏ các lỗi trong các cổng logic hoặc các công tắc, sử dụng máy tính lượng tử Q của IBM.
Giáo sư Andrew Dzurak, người đứng đầu nhóm nghiên cứu UNSW, cho biết: “Thật tuyệt vời khi làm việc với các giáo sư Bartlett và Flammia, và nhóm của họ, để giúp chúng tôi hiểu các loại lỗi mà chúng tôi thấy trong các qubit silicon-CMOS của chúng tôi tại UNSW.
“Nhà thực nghiệm chính của chúng tôi, Henry Yang, đã hợp tác chặt chẽ với họ để đạt được độ trung thực đáng chú ý này là 99.957%, cho thấy rằng chúng tôi hiện có qubit bán dẫn chính xác nhất trên thế giới.”
Giáo sư Bartlett nói rằng thành tích kỷ lục thế giới của Henry Yang có thể sẽ tồn tại trong một thời gian dài. Ông cho biết bây giờ nhóm UNSW và những người khác sẽ làm việc để xây dựng hướng tới hai mảng qubit và cấp cao hơn trong silicon-CMOS.
Máy tính lượng tử hoạt động đầy đủ sẽ cần hàng triệu, nếu không phải là hàng tỷ qubit để hoạt động. Thiết kế qubit lỗi thấp bây giờ là một bước quan trọng để nhân rộng các thiết bị như vậy.
Giáo sư Raymond Laflamme là Chủ tịch Thông tin Lượng tử tại Đại học Waterloo ở Canada và không tham gia vào nghiên cứu. Ông nói: “Khi bộ xử lý lượng tử trở nên phổ biến hơn, một công cụ quan trọng để đánh giá chúng đã được phát triển bởi nhóm Bartlett tại Đại học Sydney. Nó cho phép chúng tôi mô tả độ chính xác của cổng lượng tử và cung cấp cho các nhà vật lý khả năng phân biệt giữa không liên tục và lỗi kết hợp dẫn đến sự kiểm soát chưa từng có của các qubit. “
Tác động toàn cầu
Kết quả chung của Đại học Sydney-UNSW xuất hiện ngay sau bài báo của cùng nhóm lý thuyết lượng tử với các nhà thực nghiệm tại Viện Niels Bohr ở Copenhagen.
Kết quả đó, được công bố trên tạp chí Nature Communications , cho phép trao đổi thông tin xa giữa các điện tử thông qua một bộ trung gian, cải thiện triển vọng cho một kiến trúc mở rộng trong các máy tính lượng tử spin-qubit.
Kết quả rất có ý nghĩa vì nó cho phép khoảng cách giữa các chấm lượng tử đủ lớn để tích hợp vào vi điện tử truyền thống hơn. Thành tựu này là nỗ lực chung của các nhà vật lý ở Copenhagen, Sydney và Purdue ở Mỹ.
Giáo sư Bartlett nói: “Vấn đề chính là để các chấm lượng tử tương tác đòi hỏi chúng phải cách nhau một cách kỳ cục – cách nhau nanomet. Nhưng ở khoảng cách này, chúng giao thoa với nhau, khiến thiết bị quá khó điều chỉnh để thực hiện các phép tính hữu ích. “
Giải pháp là cho phép các electron vướng víu làm trung gian thông tin của chúng thông qua một ‘nhóm’ electron, di chuyển chúng ra xa nhau hơn.
Ông nói: “Nó giống như có một chiếc xe buýt – một trung gian hòa giải lớn cho phép tương tác của các vòng quay ở xa. Nếu bạn có thể cho phép nhiều tương tác spin hơn, thì kiến trúc lượng tử có thể chuyển sang bố cục hai chiều.”
Phó giáo sư Ferdinand Kuemmeth từ Viện Niels Bohr ở Copenhagen cho biết: “Chúng tôi đã phát hiện ra rằng một chấm lượng tử lớn, kéo dài giữa các chấm trái và các chấm phải, qua trung gian một trạng thái trao đổi mạch lạc, trong một phần tỷ giây, mà không bao giờ di chuyển các electron ra khỏi dấu chấm của họ.
Giáo sư Bartlett nói: “Điều tôi cảm thấy thú vị về kết quả này với tư cách là một nhà lý thuyết, là nó giải phóng chúng ta khỏi hình dạng hạn chế của một qubit chỉ dựa vào các nước láng giềng gần nhất.”
Văn phòng tham gia toàn cầu
Lịch sử của thí nghiệm này đã quay trở lại một thập kỷ với chương trình Hoạt động Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Tình báo Hoa Kỳ (IARPA) do Giáo sư Charlie Marcus, một đồng tác giả lúc đó ở Harvard trước khi ông chuyển đến Copenhagen.
Giáo sư Bartlett nói: “Tất cả chúng tôi đã đến Copenhagen để tham dự hội thảo vào năm 2018 một phần để giải quyết vấn đề này. Thomas Evans, đồng tác giả của bài báo, đã ở đó trong hai tháng được hỗ trợ bởi Văn phòng Tham gia Toàn cầu. OGE cũng hỗ trợ Tiến sĩ Arne Grimsmo, người đang thực hiện một dự án khác. “
Ông nói rằng thí nghiệm và các cuộc thảo luận của chúng tôi đã tiến triển tốt vào thời điểm chúng tôi nhận được tài trợ OGE. Nhưng chính hội thảo này và tài trợ cho nó đã cho phép đội Sydney đến Copenhagen để lên kế hoạch cho thế hệ thí nghiệm tiếp theo dựa trên kết quả này.
Giáo sư Bartlett nói: “Phương pháp này cho phép chúng tôi tách các chấm lượng tử thêm một chút nữa để chúng dễ dàng điều chỉnh riêng hơn và khiến chúng hoạt động cùng nhau.
“Bây giờ chúng ta có bộ trung gian hòa giải này, chúng ta có thể bắt đầu lên kế hoạch cho một mảng hai chiều của các cặp chấm lượng tử này.”
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Sydney . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :