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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  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  - 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.
Flip-flop qubits: Radical new quantum computing design invented
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- 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 
 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

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