Tecnologia Científica

Na corrida para construir hardware de computação quântica, o silício começa a brilhar
Em pesquisa publicada na revista Science Advances , os físicos de Princeton usaram um dispositivo quântico de silício de dois qubits para atingir um nível de fidelidade sem precedentes.
Por Universidade de Princeton - 06/04/2022


Dispositivo baseado em silício em desenvolvimento para uso em computadores quânticos. Os eletrodos de porta mostrados em azul, vermelho e verde são usados ​​para definir os potenciais de pontos quânticos, enquanto o microímã na parte superior fornece um gradiente de campo magnético. A imagem foi tirada usando microscopia eletrônica de varredura e as cores foram aplicadas para maior clareza. Crédito: Adam Mills, Universidade de Princeton

Pesquisas conduzidas por físicos da Universidade de Princeton estão abrindo caminho para o uso de tecnologias baseadas em silício na computação quântica, especialmente como bits quânticos – as unidades básicas dos computadores quânticos. Esta pesquisa promete acelerar o uso da tecnologia de silício como uma alternativa viável a outras tecnologias de computação quântica, como supercondutores ou íons presos.

Em pesquisa publicada na revista Science Advances , os físicos de Princeton usaram um dispositivo quântico de silício de dois qubits para atingir um nível de fidelidade sem precedentes. Acima de 99 por cento, esta é a mais alta fidelidade alcançada até agora para um portão de dois qubits em um semicondutor e está no mesmo nível dos melhores resultados alcançados por tecnologias concorrentes. A fidelidade, que é uma medida da capacidade de um qubit de realizar operações sem erros, é um recurso fundamental na busca pelo desenvolvimento de computação quântica prática e eficiente.

Pesquisadores de todo o mundo estão tentando descobrir quais tecnologias – como qubits supercondutores , íons presos ou qubits de spin de silício, por exemplo – podem ser melhor empregadas como unidades básicas da computação quântica . E, igualmente significativo, os pesquisadores estão explorando quais tecnologias terão a capacidade de escalar com mais eficiência para uso comercial.

“Os qubits de spin de silício estão ganhando força [no campo]”, disse Adam Mills, estudante de pós-graduação do Departamento de Física da Universidade de Princeton e principal autor do estudo publicado recentemente. "Parece um grande ano para o silício em geral."

Usando um dispositivo de silício chamado ponto quântico duplo, os pesquisadores de Princeton conseguiram capturar dois elétrons e forçá-los a interagir. O estado de spin de cada elétron pode ser usado como um qubit e a interação entre os elétrons pode emaranhar esses qubits. Essa operação é crucial para a computação quântica, e a equipe de pesquisa, liderada por Jason Petta, professor de física Eugene Higgins em Princeton, conseguiu realizar essa operação de emaranhamento com um nível de fidelidade superior a 99,8%.

Um qubit, em termos mais simples, é uma versão quântica de um bit de computador, que é a menor unidade de dados em um computador. Como sua contraparte clássica, o qubit é codificado com informações que podem ter o valor de um ou zero. Mas ao contrário do bit, o qubit é capaz de explorar os conceitos da mecânica quântica para que possa realizar tarefas que os bits clássicos não podem.
 
"Em um qubit você pode codificar zeros e uns, mas também pode ter superposições desses zeros e uns", disse Mills. Isso significa que cada qubit pode ser simultaneamente zero e um. Esse conceito, chamado superposição, é uma qualidade fundamental da mecânica quântica e que permite que os qubits façam operações que parecem incríveis e sobrenaturais. Em termos práticos, permite ao computador quântico uma vantagem maior sobre os computadores convencionais, por exemplo, fatorando números muito grandes ou isolando a solução mais ótima para um problema.

O "spin" em qubits de spin é o momento angular do elétron. É uma propriedade quântica que se manifesta como um dipolo magnético minúsculo que pode ser usado para codificar informações. Um análogo clássico é uma agulha de bússola, que tem pólos norte e sul e gira para se alinhar com o campo magnético da Terra. Mecanicamente quântica, o spin do elétron pode se alinhar com o campo magnético gerado no laboratório (spin-up), ou ser orientado antiparalelo ao campo (spin-down), ou estar em uma superposição quântica de spin-up e spin-down. Spin é a propriedade do elétron aproveitado em dispositivos quânticos baseados em silício; os computadores convencionais, por outro lado, funcionam manipulando a carga negativa de um elétron.

Mills afirmou que, em geral, os qubits de spin de silício têm vantagens sobre outros tipos de qubit. "A ideia é que todo sistema terá que ser dimensionado para muitos qubits", disse ele. "E agora, os outros sistemas qubit têm limitações físicas reais para escalabilidade. O tamanho pode ser um problema real com esses sistemas. Há muito espaço em que você pode colocar essas coisas."

Em comparação, os qubits de spin de silício são feitos de elétrons únicos e são extremamente pequenos.

“Nossos dispositivos têm apenas cerca de 100 nanômetros de diâmetro, enquanto um qubit supercondutor convencional tem mais de 300 mícrons de diâmetro, então se você quiser fazer muitos em um chip, será difícil usar uma abordagem supercondutora”, disse Petta.

A outra vantagem dos qubits de spin de silício, acrescentou Petta, é que a eletrônica convencional hoje é baseada na tecnologia de silício. "Nosso sentimento é que, se você realmente quiser fazer um milhão ou dez milhões de qubits que serão necessários para fazer algo prático, isso só acontecerá em um sistema de estado sólido que pode ser dimensionado usando a indústria de fabricação de semicondutores padrão. "

Ainda assim, operar qubits de spin – como outros tipos de qubits – com alta fidelidade tem sido um desafio para os pesquisadores.

"Um dos gargalos para a tecnologia de spin qubits é que a fidelidade do portão de dois qubits até muito recentemente não era tão alta", disse Petta. "Está bem abaixo de 90% na maioria dos experimentos."

Mas era um desafio que Petta e Mills e a equipe de pesquisa acreditavam que poderia ser alcançado.

Para realizar o experimento, os pesquisadores primeiro tiveram que capturar um único elétron – uma tarefa nada fácil.

"Estamos prendendo um único elétron, uma partícula muito pequena, e precisamos colocá-lo em uma região específica do espaço e depois fazê-lo dançar", disse Petta.

Para fazer isso, Mills, Petta e seus colegas precisaram construir uma "gaiola". Isso tomou a forma de um semicondutor fino feito principalmente de silício. No topo disso, a equipe modelou pequenos eletrodos , que criam o potencial eletrostático usado para encurralar o elétron. Duas dessas gaiolas juntas, separadas por uma barreira, ou portão, constituíam o ponto quântico duplo.

"Temos duas rodadas em locais adjacentes um ao lado do outro", disse Petta. "Ao ajustar a voltagem nesses portões, podemos empurrar momentaneamente os elétrons e fazer com que eles interajam. Isso é chamado de portão de dois qubits."

A interação faz com que cada qubit de spin evolua de acordo com o estado de seus qubits de spin vizinhos, o que leva ao emaranhamento em sistemas quânticos. Os pesquisadores conseguiram realizar essa interação de dois qubits com uma fidelidade superior a 99%. Até o momento, esta é a maior fidelidade para um portão de dois qubits que até agora foi alcançado em qubits de spin.

Petta disse que os resultados desse experimento colocam essa tecnologia – qubits de spin de silício – em pé de igualdade com os melhores resultados alcançados pelas outras grandes tecnologias concorrentes. "Esta tecnologia está em uma tendência cada vez maior", disse ele, "e acho que é apenas uma questão de tempo até que ultrapasse os sistemas supercondutores".

"Outro aspecto importante deste artigo", acrescentou Petta, "é que não é apenas uma demonstração de um portão de dois qubits de alta fidelidade , mas este dispositivo faz tudo. Esta é a primeira demonstração de um sistema qubit de spin semicondutor onde temos desempenho integrado de todo o sistema - a preparação do estado, a leitura, o controle de qubit único, o controle de dois qubits - todos com métricas de desempenho que excedem o limite necessário para fazer um sistema em maior escala funcionar."

Além de Mills e Petta, o trabalho também incluiu os esforços dos estudantes de pós-graduação de Princeton Charles Guinn e Mayer Feldman, bem como do professor assistente de engenharia elétrica da Universidade da Pensilvânia, Anthony Sigillito. Também contribuíram para o artigo e a pesquisa Michael Gullans, do Departamento de Física da Universidade de Princeton e do Centro de Informação Quântica e Ciência da Computação do NIST/Universidade de Maryland, e Erik Nielsen dos Laboratórios Nacionais Sandia, Albuquerque, Novo México.

 

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