Flip-flop qubits: Radical new quantum computing design invented / Qubits flip-flop: inventato un nuovo sistema quantico radicale di calcolo

Flip-flop qubits: Radical new quantum computing design invented / Qubits flip-flop: inventato un nuovo sistema quantico radicale di calcolo

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Abstract illustration of a quantum computer in action. Image: plotplot/Shutterstock / Illustrazione di un computer quantistico in azione.

Engineers at Australia's University of New South Wales have invented a radically new architecture

 for quantum computing, based on novel 'flip-flop

 qubits', that promises to make the large-scale

 manufacture of quantum chips dramatically

 cheaper - and easier - than thought possible.

The new chip design, detailed in the journal Nature Communications, allows for a 

silicon quantum processor that can be scaled up without the precise placement of atoms

 required in other approaches. Importantly, it allows quantum bits (or 'qubits') - the basic

 unit of information in a quantum computer - to be placed hundreds of nano metres apart

 and still remain coupled.

The design was conceived by a team led by Andrea Morello, Program Manager in 

UNSW-based ARC Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication 

Technology (CQC2T) in Sydney, who said fabrication of the new design should be easily 

within reach of today's technology.

Lead author Guilherme Tosi, a Research Fellow at CQC2T, developed the pioneering 

concept along with Morello and co-authors Fahd Mohiyaddin, Vivien Schmitt and Stefanie 

Tenberg of CQC2T, with collaborators Rajib Rahman and Gerhard Klimeck of Purdue

 University in the USA.

"It's a brilliant design, and like many such conceptual leaps, it's amazing no-one had

 thought of it before," said Morello.

"What Guilherme and the team have invented is a new way to define a 'spin qubit' that

 uses both the electron and the nucleus of the atom. Crucially, this new qubit can be

 controlled using electric signals, instead of magnetic ones. Electric signals are significantly

 easier to distribute and localise within an electronic chip."

Tosi said the design sidesteps a challenge that all spin-based silicon qubits were expected

 to face as teams begin building larger and larger arrays of qubits: the need to space them

 at a distance of only 10-20 nanometres, or just 50 atoms apart.

"If they're too close, or too far apart, the 'entanglement' between quantum bits - which is 

what makes quantum computers so special - doesn't occur," Tosi said.

Researchers at UNSW already lead the world in making spin qubits at this scale, said 

Morello. "But if we want to make an array of thousands or millions of qubits so close 

together, it means that all the control lines, the control electronics and the readout devices

 must also be fabricated at that nanometric scale, and with that pitch and that density of

 electrodes. This new concept suggests another pathway."

At the other end of the spectrum are superconducting circuits - pursued for instance by IBM

 and Google - and ion traps. These systems are large and easier to fabricate, and are 

currently leading the way in the number of qubits that can be operated. However, due to 

their larger dimensions, in the long run they may face challenges when trying to assemble

 and operate millions of qubits, as required by the most useful quantum algorithms.

"Our new silicon-based approach sits right at the sweet spot," said Morello, a professor 

of quantum engineering at UNSW. "It's easier to fabricate than atomic-scale devices, but 

still allows us to place a million qubits on a square millimetre."

In the single-atom qubit used by Morello's team, and which Tosi's new design applies, 

a silicon chip is covered with a layer of insulating silicon oxide, on top of which rests

 a pattern of metallic electrodes that operate at temperatures near absolute zero and in

 the presence of a very strong magnetic field.

At the core is a phosphorus atom, from which Morello's team has previously built two

 functional qubits using an electron and the nucleus of the atom. These qubits, taken

 individually, have demonstrated world-record coherence times.

Tosi's conceptual breakthrough is the creation of an entirely new type of qubit, using 

both the nucleus and the electron. In this approach, a qubit '0' state is defined when the 

spin of the electron is down and the nucleus spin is up, while the '1' state is when the

 electron spin is up, and the nuclear spin is down.

"We call it the 'flip-flop' qubit," said Tosi. "To operate this qubit, you need to pull the electron

 a little bit away from the nucleus, using the electrodes at the top. By doing so, you also 

create an electric dipole."

"This is the crucial point," adds Morello. "These electric dipoles interact with each other

 over fairly large distances, a good fraction of a micron, or 1,000 nanometres.

"This means we can now place the single-atom qubits much further apart than previously

 thought possible," he continued. "So there is plenty of space to intersperse the key classical

 components such as interconnects, control electrodes and readout devices, while retaining

 the precise atom-like nature of the quantum bit."

Morello called Tosi's concept as significant as Bruce Kane seminal 1998 paper in Nature.

 Kane, then a senior research associate at UNSW, hit upon a new architecture that could

 make a silicon-based quantum computer a reality - triggering Australia's race to build a

 quantum computer.

Flop qubit processor illustration. / Illustrazione del processore di flop qubit.

"Like Kane's paper, this is a theory, a proposal - the qubit has yet to be built," said Morello.

 "We have some preliminary experimental data that suggests it's entirely feasible, so we're 

working to fully demonstrate this. But I think this is as visionary as Kane's original paper."

Building a quantum computer has been called the 'space race of the 21st century' - a difficult

 and ambitious challenge with the potential to deliver revolutionary tools for tackling otherwise

 impossible calculations, with a plethora of useful applications in healthcare, defense, 

finance, chemistry and materials development, software debugging, aerospace and 

transport. Its speed and power lie in the fact that quantum systems can host multiple 

'superpositions' of different initial states, and in the spooky 'entanglement' that 

only occurs at the quantum level the fundamental particles.

"It will take great engineering to bring quantum computing to commercial reality, and the 

work we see from this extraordinary team puts Australia in the driver's seat," said Mark 

Hoffman, UNSW's Dean of Engineering. "It's a great example of how UNSW, like many 

of the world's leading research universities, is today at the heart of a sophisticated

 global knowledge system that is shaping our future."

The UNSW team has struck a A$83 million deal between UNSW, telco giant Telstra,

 Australia's Commonwealth Bank and the Australian and New South Wales governments

 to develop, by 2022, a 10-qubit prototype silicon quantum integrated circuit - the first step

 in building the world's first quantum computer in silicon.

In August, the partners launched Silicon Quantum Computing Pty Ltd, Australia's first 

quantum computing company, to advance the development and commercialization of 

the team's unique technologies. The NSW Government pledged A$8.7 million, UNSW 

A$25 million, the Commonwealth Bank A$14 million, Telstra A$10 million and the 

Federal Government A$25 million."

ITALIANO

Ingegneri all'Università australiana del New South

 Il Galles ha inventato un'architettura radicalmente nuova

 per il calcolo quantico, basato su un nuovo flip-flop

 qubit ", che promette di fare la grande scala

 la produzione di chip quantistici drammaticamente

 più conveniente - e più facile - di quanto pensato.

Il nuovo chip design, dettagliato nella rivista Nature Communications,

 consente di processore quantico di silicio che può essere scalato 

senza l'esatta collocazione degli atomi richiesto in altri approcci. 

Importante, consente i bit quantici (o 'qubits') - il fondamentale

 unità di informazioni in un computer quantistico - da collocare

 centinaia di metri nano e rimangono ancora accoppiati.

Il progetto è stato concepito da un gruppo guidata da Andrea

 Morello, Program Manager inCentro di eccellenza per il calcolo

 quantico e la comunicazione di ARC basato su UNSW

Technology (CQC2T) a Sydney, che ha detto che la fabbricazione 

del nuovo design dovrebbe essere facilmente a portata di mano 

della tecnologia odierna.

L'autore principale Guilherme Tosi, un ricercatore presso CQC2T,

 ha sviluppato il pioniere concetto con Morello e co-autori Fahd

 Mohiyaddin, Vivien Schmitt e Stefanie Tenberg di CQC2T, con 

i collaboratori Rajib Rahman e Gerhard Klimeck di Purdue

 Università degli Stati Uniti.

"È un progetto brillante e, come molti altri salti concettuali, è incredibile

 che nessuno lo abbia pensato prima, "disse Morello.

"Quello che Guilherme e il gruppo hanno inventato è un nuovo

 modo per definire una" spin qubit "che utilizza sia l'elettrone che

 il nucleo dell'atomo. Crucially, questo nuovo qubit può essere

 controllata usando segnali elettrici, anziché magnetici. Segnali 

elettrici sono significativamente più facile da distribuire e localizzare

 all'interno di un chip elettronico ".

Tosi ha detto che il progetto sfugge a una sfida che tutti i qubit di silicio

 a base di spin sono stati previsti  affrontare come i gruppi iniziano a

 creare grandi e più grandi matrici di qubit: la necessità di liberarli a 

una distanza di soli 10-20 nanometri, o solo 50 atomi separati.

"Se sono troppo stretti, o troppo lontani, il 'intreccio' tra i bit quantici - che

 è ciò che rende i computer quantistici così speciali - non si verifica ", ha

 detto Tosi.

I ricercatori di UNSW già portano il mondo a fare spin qubit a questa

 scala, ha detto Morello. "Ma se vogliamo fare una serie di migliaia o

 milioni di qubit così vicini insieme, significa che tutte le linee di controllo,

 l'elettronica di controllo ei dispositivi di lettura deve anche essere

 fabbricato a quella scala nanometrica, e con quel passo e quella densità di

 elettrodi. Questo nuovo concetto suggerisce un altro percorso ".

All'altra estremità dello spettro sono circuiti superconduttori - perseguiti

 ad esempio da IBM e Google - e le trappole di ioni. Questi sistemi sono

 grandi e più facili da fabbricare e attualmente conducono alla strada

 nel numero di qubit che possono essere azionati. Tuttavia, a causa 

delle loro dimensioni più grandi, a lungo andare possono affrontare 

sfide quando si cerca di assemblare e operano milioni di qubit, come 

richiesto dagli algoritmi quantistici più utili.

"Il nostro nuovo approccio basato sul silicio siede sul punto dolce",

 ha detto Morello, un professore di ingegneria quantistica a UNSW. 

"È più facile costruire dispositivi a scala atomica, ma

ancora ci permette di mettere un milione di qubit su un millimetro

 quadrato ".

Nel qubit di un solo atomo utilizzato dalla squadra di Morello e 

che si applica il nuovo progetto di Tosi, un chip di silicio è ricoperto da

 uno strato di ossido di silicio isolante, in cima alla quale poggia

 un modello di elettrodi metallici che funzionano a temperature

 prossime allo zero assoluto e in presenza di un campo magnetico molto

 forte.

Il nucleo è un atomo di fosforo, da cui il gruppo di Morello ha

 precedentemente costruito due qubit funzionali usando un elettrone

 e il nucleo dell'atomo. Questi qubit, presi individualmente, hanno

 dimostrato tempi di coerenza record mondiali.

La novità concettuale di Tosi è la creazione di un tipo completamente

 nuovo di qubit, utilizzando sia il nucleo che l'elettrone. In questo

 approccio, uno stato qubit '0' viene definito quando la rotazione 

dell'elettrone è in discesa e la rotazione del nucleo è 

aumentata, mentre lo stato "1" è quando la rotazione dell'elettrone

 è aumentato, e la rotazione nucleare è in discesa.

"Lo chiamiamo qubit del flip-flop", disse Tosi. "Per operare questo qubit, 

devi tirare l'elettrone un po 'lontano dal nucleo, utilizzando gli elettrodi

 in cima. Così facendo, anche tu puoi creare un dipolo elettrico ".

"Questo è il punto cruciale", aggiunge Morello. "Questi dipoli elettrici

 interagiscono tra loro su distanze abbastanza grandi, una buona

 frazione di un micron o di 1.000 nanometri.

"Questo significa che possiamo ora mettere qubit di un solo atomo

 molto più lontano di prima  ", ha continuato." Così c'è abbastanza 

spazio per inserire componenti come interconnessioni, elettrodi di 

controllo e dispositivi di lettura, pur mantenendo  la precisa natura

 atomica del bit quantico ".

Morello chiamò il concetto di Tosi come significativo come il documento

 di Bruce Kane del 1998 in natura.

  Kane, allora un associato di ricerca presso l'UNSW, ha ideato

 una nuova architettura che potrebbe rendere realtà un computer

 quantistico a base di silicio - innescando la corsa australiana

 a costruire un computer quantistico.

"Come la carta di Kane, questa è una teoria, una proposta - il qubit deve

 ancora essere costruito", ha detto Morello.

 "Abbiamo alcuni dati sperimentali preliminari che suggeriscono che

 sia del tutto fattibile, quindi stiamo lavorando per dimostrarlo 

pienamente. Ma credo che questo sia tanto visionario quanto quello

 originale di Kane ".

Costruire un computer quantistico è stato chiamato "lacorsa spaziale 

del XXI secolo" - un problema difficile e una sfida ambiziosa con

 il potenziale di fornire strumenti rivoluzionari per affrontare altrimenti

 calcoli impossibili, con una pletora di applicazioni utili in materia sanitaria, difesa,

finanza, chimica e sviluppo dei materiali, debug software, aerospaziale e 

trasporti. La sua velocità e la sua potenza si basano sul fatto che i

 sistemi quantistici possono ospitare molteplici "sovrapposizioni" di 

diversi stati iniziali, e nella "intricata" spettrale che

solo a livello quantico si verificano le particelle fondamentali.

"Ci vorrà grande ingegneria per portare il calcolo quantico alla realtà 

commerciale, e il lavoro che vediamo da questo straordinario gruppo

 mette l'Australia nel sedile del conducente ", ha dichiarato Mark

Hoffman, Dean of Engineering di UNSW. "È un ottimo esempio di come

 UNSW, come molti delle università di ricerca leader a livello mondiale,

 è oggi al centro di un sofisticato sistema di conoscenza globale che

 sta modellando il nostro futuro ".

Il gruppo di UNSW ha stipulato un accordo di $ 83 milioni tra UNSW, 

il gigante Telstra, La Banca del Commonwealth dell'Australia e i governi

 australiani e del Nuovo Galles del Sud per sviluppare, entro il 2022, 

un circuito integrato quantico di silicio prototipo da 10 qubit - il primo 

passo nella costruzione del primo computer quantistico del mondo in

 silicio.

In agosto, i partner hanno lanciato Silicon Quantum Computing Pty Ltd,

 prima in Australia società di calcolo quantico, per promuovere lo

 sviluppo e la commercializzazione delle  tecnologie uniche del team. 

Il governo NSW ha impegnato un $ 8,7 milioni, UNSW

25 milioni di dollari, la banca del Commonwealth 14 milioni di dollari, 

Telstra 10 milioni di dollari e il Governo federale A 25 milioni di dollari.

Da:

https://phys.org/news/2017-09-flip-flop-qubits-radical-quantum.html