L’intelligenza artificiale e il calcolo quantistico avanzano con qubit siliconici che raggiungono fedeltà oltre il 99% in processi di produzione industriale, dimostrando un passo cruciale verso computer quantistici scalabili e fault-tolerant. Ricercatori di Diraq, in collaborazione con imec, fabbricano chip quantistici in fonderie CMOS da 300 mm e mantengono alte prestazioni. Questa ricerca, pubblicata su Nature, mostra che qubit spin in silicio prodotti industrialmente ottengono fedeltà del 99,9% in operazioni a singolo qubit e del 99,3% in quelle a due qubit. Gli scienziati usano la tomografia gate set per misurare errori e confermano che questi dispositivi superano soglie per tolleranza ai guasti. Diraq raggiunge questi risultati con qubit progettati per integrazione con elettronica moderna e sfrutta processi CMOS maturi per scalabilità economica. La dimostrazione apre vie a computer quantistici con milioni di qubit che risolvono problemi complessi oltre le capacità classiche. Andrew Dzurak, CEO di Diraq, afferma che questa compatibilità con fonderie esistenti accelera lo sviluppo di sistemi quantistici fault-tolerant. Gli esperimenti coinvolgono dispositivi con doppia quantum dot e usano segnali microonde per operazioni qubit. I risultati indicano che il silicio compete con piattaforme alternative e offre costi ridotti per produzione di massa. Questa innovazione rafforza il potenziale del silicio nel calcolo quantistico e riduce barriere per applicazioni pratiche in campi come la simulazione molecolare.
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Fedeltà elevata in qubit siliconici industriali
Ricercatori fabbricano qubit spin in silicio usando processi CMOS standard. Questi processi derivano da fonderie imec e producono chip con fedeltà superiori al 99%. Gli scienziati operano i dispositivi in un frigorifero a diluizione a 10 mK. Usano gate plunger e exchange per controllare elettroni in doppia quantum dot. Le operazioni a singolo qubit impiegano segnali microonde per rotazioni X e Z virtuali. Le operazioni a due qubit usano interazioni exchange pulsate per gate CZ. La tomografia gate set misura errori con sequenze fino a lunghezza 16. I dispositivi mostrano fedeltà del 99,9% in gate a singolo qubit e del 99,3% in CZ. Gli errori dominanti derivano da spin nucleari del silicio-29. I ricercatori riducono questi errori con purificazione isotopica. Gli esperimenti confermano che qubit industriali mantengono prestazioni simili a quelli di laboratorio. Questo risultato supera soglie per correzione errori superficiale. Gli scienziati testano quattro dispositivi e confermano uniformità in controllo elettrostatico. I tempi di coerenza raggiungono 1.900 microsecondi con echo Hahn. La dipendenza dal campo magnetico mostra ottimizzazioni a bassi campi. Gli errori stocastici IZ dominano infedeltà. I ricercatori collegano questi a rumore nucleare. Gli esperimenti cryo-probing su 16 dispositivi aggiuntivi confermano consistenza. Questa uniformità supporta scalabilità per array qubit più grandi.
Metodi di fabbricazione e test
Gli scienziati progettano qubit con geometria gate polisilicio MOS planare. Imec fabbrica i dispositivi in flussi spin-qubit da 300 mm. Gli elettroni si confinano in pozzi quantistici con gate plunger P1 e P2. Il gate exchange J controlla interazioni. I ricercatori usano diagrammi stabilità carica per operazioni. Segnali microonde on-resonance guidano gate X π/2. Gate Z π/2 virtuali ottimizzano rotazioni. Gate CZ pulsati exchange durano 20 nanosecondi. La tomografia usa fiduciali preparazione e misura. Circuiti germ amplificano errori. Sequenze uniche raggiungono 12.263. I ricercatori misurano tempi spin lifetime e Ramsey. Feedback real-time traccia frequenze Larmor e Rabi. Questo corregge variazioni. Gli esperimenti quantificano rumore carica a 0,5 μeV Hz−1/2. Gli scienziati testano dipendenza campo magnetico. Tempi T1 e T2* aumentano fino a 0,3 T. Poi diminuiscono per coupling spin-orbita. Gli errori derivano da spin nucleari silicio-29. La purificazione riduce silicio-29 sotto 50 ppm. Questo migliora coerenza. Gli esperimenti cryo-probing verificano controllo elettrostatico. Questo conferma uniformità produzione. I metodi integrano pratiche ingegneristiche industriali. Questo accelera sviluppo qubit scalabili.
Implicazioni per il calcolo quantistico
I ricercatori dimostrano che qubit silicio industriali raggiungono fedeltà fault-tolerant. Questo apre vie a computer quantistici con milioni di qubit. Il silicio sfrutta industria microchip da trilioni di euro. Questo riduce costi produzione. Gli scienziati superano barriere per tolleranza guasti. Questo permette correzione errori superficiale. I qubit scalabili risolvono problemi complessi. Questi includono simulazioni molecolari. Il calcolo quantistico supera limiti classici. Diraq accelera utility scale. Questo definisce valore commerciale superiore a costi operativi. Gli scienziati collaborano con DARPA per benchmarking. Questo verifica progressi. Il silicio compete con piattaforme alternative. Offre integrazione elettronica moderna. Questo riduce complessità sistemi. I ricercatori suggeriscono purificazione nucleare per miglioramenti. Questo riduce errori nucleari. Gli esperimenti indicano operazioni a bassi campi. Questo ottimizza con gate SWAP-like. La scalabilità richiede automazione calibrazione. Questo gestisce array grandi. Gli scienziati progettano strategie correzione errori. Questo affronta temperature elevate da elettronica integrata. Le implicazioni estendono a campi vari. Il calcolo quantistico rivoluziona chimica e materiali. Questo accelera scoperte. Diraq guida transizione a sistemi quantistici pratici. Questo rafforza ecosistemi quantistici globali.
Confronti con simulazioni classiche
I ricercatori confrontano qubit quantistici con simulazioni classiche. I dispositivi superano soglie dove errori quantistici correggibili superano limiti classici. Simulazioni classiche falliscono in problemi complessi. I qubit scalabili risolvono questi efficientemente. Gli esperimenti mostrano fedeltà che permettono correzione errori. Questo supera barriere classiche. I ricercatori usano tomografia per quantificare vantaggi. Questo conferma superiorità quantistica in fedeltà. Simulazioni classiche richiedono risorse esponenziali. I qubit usano scaling lineare. Questo amplifica vantaggi in utility scale. Diraq dimostra che silicio industriale compete con classici. Questo accelera applicazioni pratiche. Confronti indicano che qubit fault-tolerant superano supercomputer classici. Questo in compiti come ottimizzazione. I ricercatori testano in ambienti reali. Questo verifica robustezza. Confronti evidenziano efficienza energetica. I qubit consumano meno per calcoli complessi. Questo riduce costi operativi. Simulazioni classiche limitano in dimensioni problema. I qubit scalano oltre. Questo apre campi nuovi. Confronti con piattaforme alternative mostrano silicio come economico. Questo integra con elettronica esistente. I ricercatori quantificano vantaggi in fedeltà due-qubit. Questo supera classici in gate logici. Confronti amplificano potenziale industriale. Diraq guida confronti per benchmarking. Questo verifica progressi globali.
Sfide nella produzione quantistica
I ricercatori affrontano sfide in produzione qubit industriali. Il rumore carica deriva da difetti interfacce. Questo colpisce fedeltà. Gli scienziati usano strategie mitigazione. Queste includono pozzi quantistici. Il disordine statico complica controllo. I ricercatori ottimizzano processi CMOS. Questo riduce difetti. Sfide includono purificazione nucleare. Il silicio-29 causa errori. Gli scienziati riducono isotopi per coerenza maggiore. Produzione richiede uniformità. I ricercatori testano dispositivi multipli. Questo verifica consistenza. Sfide termiche emergono da elettronica integrata. Questo colpisce temperature operative. Gli scienziati progettano per tolleranza. Automazione calibrazione affronta scaling. Questo gestisce qubit milioni. Sfide in correzione errori persistono. I ricercatori sviluppano strategie. Questo corregge errori nucleari. Produzione industriale integra con microchip esistenti. Questo riduce costi. Sfide in fedeltà due-qubit dominano. Gli scienziati ottimizzano interazioni exchange. Questo riduce infedeltà. Sfide magnetiche influenzano coerenza. I ricercatori operano a campi ottimali. Questo bilancia prestazioni. Produzione richiede collaborazioni. Diraq e imec guidano. Questo accelera sviluppi. Sfide globali includono supply chain. I ricercatori usano fonderie mature. Questo garantisce scalabilità. Sfide evolvono con tecnologie. I ricercatori adattano per progressi.
Prospettive future per qubit siliconici
I ricercatori prevedono qubit siliconici scalabili per utility scale. Questo richiede milioni di qubit. Diraq accelera con produzione industriale. Futuro include purificazione isotopica avanzata. Questo riduce errori nucleari. Gli scienziati integrano elettronica controllo. Questo riduce complessità. Prospettive includono array qubit grandi. Questo verifica correzione errori. I ricercatori sviluppano automazione. Questo calibra sistemi complessi. Futuro affronta temperature elevate. Questo integra con CMOS. Gli scienziati ottimizzano per robustezza. Prospettive estendono a applicazioni pratiche. Questo include simulazioni chimiche. I qubit risolvono problemi classici intrattabili. Futuro include benchmarking DARPA. Questo verifica utility scale. Diraq guida collaborazioni globali. Questo accelera innovazione. Prospettive includono costi ridotti. Produzione industriale democratizza quantistico. Gli scienziati prevedono sistemi fault-tolerant entro decennio. Questo rivoluziona computing. Futuro affronta sfide scalabilità. I ricercatori ottimizzano gate. Questo riduce errori. Prospettive includono integrazioni ibride. Questo combina quantistico con classico. Diraq guida evoluzione. Questo rafforza ecosistemi quantistici.
