Badacze z UNSW splątali jądra atomowe za pomocą elektronów, osiągając komunikację kwantową w skalach zgodnych z obecnymi chipami komputerowymi, co umożliwiło postęp w obliczeniach kwantowych krzemu. Inżynierowie z UNSW opracowali kwantowe stany splątane, wykorzystując spiny dwóch jąder atomowych. Splątanie ma kluczowe znaczenie dla przewagi obliczeń kwantowych nad systemami konwencjonalnymi. Badanie to, opublikowane w Nauka 18 września stanowi krok w kierunku wielkoskalowych komputerów kwantowych. Główna autorka, dr Holly Stemp, stwierdziła, że to osiągnięcie umożliwia budowę przyszłych mikrochipów do obliczeń kwantowych przy użyciu istniejących technologii i procesów produkcyjnych. Zauważyła: „Udało nam się sprawić, że najczystsze, najbardziej izolowane obiekty kwantowe rozmawiają ze sobą na skalę, na jaką obecnie produkowane są standardowe krzemowe urządzenia elektroniczne”. Inżynieria komputerów kwantowych równoważy ochronę elementów obliczeniowych przed zakłóceniami, umożliwiając ich interakcję w obliczeniach. Wyzwanie to przyczynia się do różnorodności podejść do sprzętu kwantowego. Niektóre oferują prędkość, ale są podatne na hałas, inne są ekranowane, ale trudne w obsłudze i skalowaniu. Zespół UNSW wykorzystał spin jądrowy atomów fosforu wszczepiony w krzemowy chip do kodowania informacji kwantowej. Profesor naukowy Andrea Morello z Wydziału Inżynierii Elektrycznej i Telekomunikacji UNSW określiła spin jądra atomowego jako „najczystszy i najbardziej izolowany obiekt kwantowy, jaki można znaleźć w stanie stałym”. Profesor Morello szczegółowo opisał wcześniejsze prace grupy na przestrzeni 15 lat, które obejmowały przełomy w tej technologii. Wykazali, że przechowują informacje kwantowe przez ponad 30 sekund i wykonują operacje logiki kwantowej z błędami mniejszymi niż 1%. Stwierdził, że byli „pierwszymi na świecie, którzy osiągnęli to w urządzeniu krzemowym”. Zauważył jednak, że izolacja korzystna dla jąder atomowych utrudnia połączenie ich w wielkoskalowym procesorze kwantowym. Wcześniej działanie wielu jąder atomowych wymagało, aby znajdowały się one bardzo blisko ciała stałego, otoczone pojedynczym elektronem. Dr Stemp wyjaśnił, że choć elektron może się „rozprzestrzeniać”, wchodząc w interakcję z wieloma jądrami atomowymi, jego zasięg jest ograniczony. Dodała: „dodanie większej liczby jąder do tego samego elektronu sprawia, że kontrolowanie każdego jądra z osobna staje się bardzo trudne”. Przełom polegał na tym, że jądra atomowe komunikowały się za pośrednictwem elektronicznych „telefonów”, którymi są elektrony. Doktor Stemp użył metafory ludzi w dźwiękoszczelnym pomieszczeniu, gdzie rozmowy były wyraźne, ale miały ograniczoną skalę. „Telefony” umożliwiają komunikację pomiędzy pokojami, tworząc bardziej skalowalne interakcje przy jednoczesnym zachowaniu izolacji. Inny autor Mark van Blankenstein wyjaśnił, że dwa elektrony mogą „dotykać się” na odległość ze względu na ich zdolność do rozprzestrzeniania się. Jeśli każdy elektron łączy się z jądrem atomowym, jądra mogą się przez nie komunikować. Odległość między jądrami w eksperymentach wynosiła około 20 nanometrów. Dr Stemp podkreślił, że gdyby jądro zostało przeskalowane do rozmiarów człowieka, odległość ta byłaby porównywalna z odległością między Sydney a Bostonem. Podkreśliła, że 20 nanometrów to skala współczesnych krzemowych chipów komputerowych stosowanych w komputerach osobistych i telefonach komórkowych. Oznacza to, że procesy produkcyjne opracowane w przemyśle półprzewodników można dostosować do komputerów kwantowych w oparciu o spiny jąder atomowych. Urządzenia te są kompatybilne z obecną produkcją chipów komputerowych. Atomy fosforu zostały wprowadzone do chipa przez zespół profesora Davida Jamiesona z Uniwersytetu w Melbourne przy użyciu ultraczystego krzemu opracowanego przez profesora Kohei Itoha z Uniwersytetu Keio w Japonii. Eliminując potrzebę przyłączania jąder atomowych do tego samego elektronu, zespół UNSW zajął się kluczową przeszkodą w skalowaniu krzemowych komputerów kwantowych opartych na jądrach atomowych. Profesor Morello określił swoją metodę jako „niezwykle solidną i skalowalną”. Dodał, że w przyszłości będzie można wykorzystać i ukształtować więcej elektronów, aby dalej rozprzestrzeniać jądra. „Elektrony można łatwo przemieszczać i „wmasowywać” w kształt, co oznacza, że interakcje można włączać i wyłączać szybko i precyzyjnie. Właśnie tego potrzeba w przypadku skalowalnego komputera kwantowego”.
