Uma equipe liderada pela Universidade de Melbourne aperfeia§oou uma técnica para incorporar a¡tomos aºnicos em uma pastilha de sila­cio, um por um. Sua tecnologia oferece o potencial de fazer computadores qua¢nticos usando os mesmos manãtodos que nos deram dispositivos convencionais baratos e confia¡veis ​​contendo bilhaµes de transistores.

"Na³s poda­amos 'ouvir' o clique eletra´nico quando cada a¡tomo caiu em um dos 10.000 locais em nosso dispositivo prota³tipo. Nossa visão éusar essa técnica para construir um dispositivo qua¢ntico 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, podera­amos fazer ma¡quinas de grande escala baseadas em bits qua¢nticos de a¡tomo aºnico usando nosso manãtodo e aproveitando as técnicas de fabricação que a indústria de semicondutores aperfeia§oou”, diz ele.

Atéagora, a implantação de a¡tomos em sila­cio tem sido um processo aleata³rio, onde um chip de sila­cio ébanhado com fa³sforo que se implanta em um padrãoaleata³rio, como gotas de chuva em uma janela.

"Incorporamos a­ons de fa³sforo, contando cada um com precisão, em um substrato de sila­cio criando um 'chip' qubit", que pode ser usado em experimentos de laboratório para testar projetos para dispositivos de grande escala."

“Isso nos permitira¡ projetar as operações de lógica qua¢ntica entre grandes matrizes de a¡tomos 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 a¡tomos em locais aleata³rios e selecionar os que funcionam melhor, eles agora sera£o colocados em uma matriz ordenada, semelhante aos transistores em chips de computador semicondutores convencionais ”.

“Usamos tecnologia avana§ada desenvolvida para detectores de raios-X sensa­veis e um microsca³pio de força atômica especial originalmente desenvolvido para a missão espacial Rosetta, juntamente com um modelo de computador abrangente para a trajeta³ria de a­ons implantados em sila­cio, 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 padraµes em larga escala de a¡tomos contados que são controlados para que seus estados qua¢nticos possam ser manipulados, acoplados e lidos.

A técnica desenvolvida pelo professor Jamieson e seus colegas tira proveito da precisão do microsca³pio de força atômica, que possui um cantilever afiado que 'toca' suavemente asuperfÍcie de um chip com uma precisão de posicionamento de apenas meio nana´metro, aproximadamente o mesmo que o espaa§amento entre os a¡tomos em um cristal de sila­cio.

A equipe perfurou um pequeno buraco neste cantilever, de modo que, quando fosse banhado com a¡tomos de fa³sforo, ocasionalmente caa­sse pelo buraco e embutisse no substrato de sila­cio.

A chave, no entanto, era saber exatamente quando um a¡tomo — 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 cinanãtica do a¡tomo ao penetrar no cristal de sila­cio e dissipar sua energia por fricção pode ser explorada para fazer um pequeno clique eletra´nico.

a‰ assim que eles sabem que um a¡tomo foi incorporado ao sila­cio e se movem para a próxima posição precisa.

"Um a¡tomo colidindo com um pedaço de sila­cio produz um clique muito fraco, mas inventamos uma eletra´nica muitosensívelusada para detectar o clique, émuito amplificada e fornece um sinal alto, um sinal alto e confia¡vel", diz o professor Jamieson.

"Isso nos permite ter muita confianção em nosso manãtodo. Podemos dizer: "Ah, houve um clique. Um a¡tomo acabou de chegar." Agora podemos mover o cantilever para o pra³ximo ponto e esperar pelo pra³ximo a¡tomo."

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

Os computadores qua¢nticos realizam ca¡lculos usando os estados variados de a¡tomos aºnicos da mesma forma que os computadores convencionais usam bits osa unidade mais ba¡sica de informação digital.

Mas enquanto um bit tem apenas dois valores possa­veis os1 ou 0, verdadeiro ou falso osum bit qua¢ntico, 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 ca³digo de computador poderoso que não existe em computadores cla¡ssicos. Essa densidade exponencial de informações éo que da¡ aos processadores qua¢nticos sua vantagem computacional.

Essa estranheza da meca¢nica qua¢ntica ba¡sica tem grande potencial para criar computadores capazes de resolver certos problemas computacionais que os computadores convencionais achariam impossa­veis devido a  sua complexidade.

As aplicações prática s incluem novas formas de otimizar hora¡rios e finana§as, criptografia inquebra¡vel e design computacional de medicamentos, talvez atéo rápido desenvolvimento de novas vacinas.

"Se vocêquiser calcular a estrutura da molanãcula de cafea­na, uma molanãcula muito importante para a física, não pode fazaª-lo com um computador cla¡ssico porque hámuitos elanãtrons", diz o professor Jamieson.

"Todos esses elanãtrons obedecem a  física qua¢ntica e a  equação de Schra¶dinger. Mas se vocêfor calcular a estrutura dessa molanãcula, hátantas interações elanãtron-elanãtron que nem mesmo os supercomputadores mais poderosos do mundo hoje podem fazaª-lo.

“Um computador qua¢ntico poderia fazer isso, mas vocêprecisa de muitos qubits porque precisa corrigir erros aleata³rios e executar um ca³digo de computador muito complicado”.

Chips de sila­cio contendo matrizes de a¡tomos dopantes aºnicos podem ser o material de escolha para dispositivos cla¡ssicos e qua¢nticos que exploram spins de doadores aºnicos. Por exemplo, doadores do grupo V implantados em cristais de Si purificados isotopicamente são atraentes para computadores qua¢nticos de grande escala. Atributos aºteis incluem longos tempos de vida de spin nuclear e de elanãtrons de P, transições de rela³gio hiperfinas em Bi ou spins nucleares de Sb eletricamente controla¡veis.

Arquiteturas promissoras exigem a capacidade de fabricar matrizes de a¡tomos contaminantes pra³ximos dasuperfÍcie individuais com alto rendimento. Aqui, um sistema de eletrodo detector no chip com rua­do quadra¡tico manãdio de 70 eV (≈20 elanãtrons) éempregado para demonstrar a implantação próxima a  temperatura ambiente de a­ons P+ de 14 keV aºnicos.

O modelo fa­sico para a interação a­on-sãolido mostra uma confianção sem precedentes na detecção de a­on aºnico no limite superior de 99,85 ± 0,02% para implantes pra³ximos a superfÍcie. Como resultado, o rendimento de dopagem de sila­cio controlado na prática élimitado por fatores de engenharia de materiais, incluindo a³xidos de porta desuperfÍcie nos quais os a­ons detectados podem parar.

Para um dispositivo com a³xido de portão de 6 nm e implantes de 14 keV P+, édemonstrado um limite de rendimento de 98,1%. a“xidos de porta mais finos permitem que esse limite convirja para o limite superior. A implantação de um aºnico a­on determina­stico pode, portanto, ser uma estratanãgia via¡vel de engenharia de materiais para arquiteturas de dopantes escala¡veis ​​em dispositivos de sila­cio .