Tecnologia Científica

Construindo um chip de computador quântico de silício átomo por átomo
Sua tecnologia oferece o potencial de fazer computadores quânticos usando os mesmos métodos que nos deram dispositivos convencionais baratos e confiáveis ​​contendo bilhões de transistores.
Por Ciência em Público - 12/01/2022


Uma equipe liderada pela Universidade de Melbourne aperfeiçoou uma técnica para incorporar átomos únicos em uma pastilha de silício, um por um. Crédito: Universidade de Melbourne

Uma equipe liderada pela Universidade de Melbourne aperfeiçoou uma técnica para incorporar átomos únicos em uma pastilha de silício, um por um. Sua tecnologia oferece o potencial de fazer computadores quânticos usando os mesmos métodos que nos deram dispositivos convencionais baratos e confiáveis ​​contendo bilhões de transistores.

"Nós podíamos 'ouvir' o clique eletrônico quando cada átomo caiu em um dos 10.000 locais em nosso dispositivo protótipo. Nossa visão é usar essa técnica para construir um dispositivo quântico de muito, muito grande escala", diz o professor David Jamieson, da Universidade. de Melbourne, principal autor do artigo Advanced Materials que descreve o processo.

Seus coautores são da UNSW Sydney, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Leibniz Institute of Surface Engineering (IOM) e RMIT Microscopy and Microanalysis Facility.

“Acreditamos que, em última análise, poderíamos fazer máquinas de grande escala baseadas em bits quânticos de átomo único usando nosso método e aproveitando as técnicas de fabricação que a indústria de semicondutores aperfeiçoou”, diz ele.

Até agora, a implantação de átomos em silício tem sido um processo aleatório, onde um chip de silício é banhado com fósforo que se implanta em um padrão aleatório, como gotas de chuva em uma janela.

"Incorporamos íons de fósforo, contando cada um com precisão, em um substrato de silício criando um 'chip' qubit", que pode ser usado em experimentos de laboratório para testar projetos para dispositivos de grande escala."

“Isso nos permitirá projetar as operações de lógica quântica entre grandes matrizes de átomos individuais, mantendo operações altamente precisas em todo o processador”, diz Andrea Morello, professor da Scientia da UNSW, coautor do artigo. “Em vez de implantar muitos átomos em locais aleatórios e selecionar os que funcionam melhor, eles agora serão colocados em uma matriz ordenada, semelhante aos transistores em chips de computador semicondutores convencionais ”.

“Usamos tecnologia avançada desenvolvida para detectores de raios-X sensíveis e um microscópio de força atômica especial originalmente desenvolvido para a missão espacial Rosetta, juntamente com um modelo de computador abrangente para a trajetória de íons implantados em silício, desenvolvido em colaboração com nossos colegas na Alemanha”, diz o Dr. Alexander (Melvin) Jakob, primeiro autor do artigo, também da Universidade de Melbourne.

Essa nova técnica pode criar padrões em larga escala de átomos contados que são controlados para que seus estados quânticos possam ser manipulados, acoplados e lidos.
 
A técnica desenvolvida pelo professor Jamieson e seus colegas tira proveito da precisão do microscópio de força atômica, que possui um cantilever afiado que 'toca' suavemente a superfície de um chip com uma precisão de posicionamento de apenas meio nanômetro, aproximadamente o mesmo que o espaçamento entre os átomos em um cristal de silício.

A equipe perfurou um pequeno buraco neste cantilever, de modo que, quando fosse banhado com átomos de fósforo, ocasionalmente caísse pelo buraco e embutisse no substrato de silício.

A chave, no entanto, era saber exatamente quando um átomo — e não mais do que um — havia se incorporado ao substrato. Em seguida, o cantilever pode se mover para a próxima posição precisa na matriz.

A equipe descobriu que a energia cinética do átomo ao penetrar no cristal de silício e dissipar sua energia por fricção pode ser explorada para fazer um pequeno clique eletrônico.

É assim que eles sabem que um átomo foi incorporado ao silício e se movem para a próxima posição precisa.

"Um átomo colidindo com um pedaço de silício produz um clique muito fraco, mas inventamos uma eletrônica muito sensível usada para detectar o clique, é muito amplificada e fornece um sinal alto, um sinal alto e confiável", diz o professor Jamieson.

"Isso nos permite ter muita confiança em nosso método. Podemos dizer: "Ah, houve um clique. Um átomo acabou de chegar." Agora podemos mover o cantilever para o próximo ponto e esperar pelo próximo átomo."

"Com nossos parceiros do Centro, já produzimos resultados inovadores em qubits de átomo único feitos com essa técnica, mas a nova descoberta acelerará nosso trabalho em dispositivos de grande escala", diz ele.

O que é computação quântica e por que é importante?

Os computadores quânticos realizam cálculos usando os estados variados de átomos únicos da mesma forma que os computadores convencionais usam bits – a unidade mais básica de informação digital.

Mas enquanto um bit tem apenas dois valores possíveis – 1 ou 0, verdadeiro ou falso – um bit quântico, ou qubit, pode ser colocado em uma superposição de 0 e 1. Pares de qubits podem ser colocados em estados de superposição ainda mais peculiares, como como "01 mais 10", chamados estados emaranhados. Adicionar ainda mais qubits cria um número exponencialmente crescente de estados emaranhados, que constituem um código de computador poderoso que não existe em computadores clássicos. Essa densidade exponencial de informações é o que dá aos processadores quânticos sua vantagem computacional.

Essa estranheza da mecânica quântica básica tem grande potencial para criar computadores capazes de resolver certos problemas computacionais que os computadores convencionais achariam impossíveis devido à sua complexidade.

As aplicações práticas incluem novas formas de otimizar horários e finanças, criptografia inquebrável e design computacional de medicamentos, talvez até o rápido desenvolvimento de novas vacinas.

"Se você quiser calcular a estrutura da molécula de cafeína, uma molécula muito importante para a física, não pode fazê-lo com um computador clássico porque há muitos elétrons", diz o professor Jamieson.

"Todos esses elétrons obedecem à física quântica e à equação de Schrödinger. Mas se você for calcular a estrutura dessa molécula, há tantas interações elétron-elétron que nem mesmo os supercomputadores mais poderosos do mundo hoje podem fazê-lo.

“Um computador quântico poderia fazer isso, mas você precisa de muitos qubits porque precisa corrigir erros aleatórios e executar um código de computador muito complicado”.

Chips de silício contendo matrizes de átomos dopantes únicos podem ser o material de escolha para dispositivos clássicos e quânticos que exploram spins de doadores únicos. Por exemplo, doadores do grupo V implantados em cristais de Si purificados isotopicamente são atraentes para computadores quânticos de grande escala. Atributos úteis incluem longos tempos de vida de spin nuclear e de elétrons de P, transições de relógio hiperfinas em Bi ou spins nucleares de Sb eletricamente controláveis.

Arquiteturas promissoras exigem a capacidade de fabricar matrizes de átomos contaminantes próximos da superfície individuais com alto rendimento. Aqui, um sistema de eletrodo detector no chip com ruído quadrático médio de 70 eV (≈20 elétrons) é empregado para demonstrar a implantação próxima à temperatura ambiente de íons P+ de 14 keV únicos.

O modelo físico para a interação íon-sólido mostra uma confiança sem precedentes na detecção de íon único no limite superior de 99,85 ± 0,02% para implantes próximos à superfície. Como resultado, o rendimento de dopagem de silício controlado na prática é limitado por fatores de engenharia de materiais, incluindo óxidos de porta de superfície nos quais os íons detectados podem parar.

Para um dispositivo com óxido de portão de 6 nm e implantes de 14 keV P+, é demonstrado um limite de rendimento de 98,1%. Óxidos de porta mais finos permitem que esse limite convirja para o limite superior. A implantação de um único íon determinístico pode, portanto, ser uma estratégia viável de engenharia de materiais para arquiteturas de dopantes escaláveis ​​em dispositivos de silício .

 

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