Los ingenieros cuánticos de UNSW Sydney han creado átomos artificiales en chips de silicio que ofrecen una estabilidad mejorada para la computación cuántica.
En un artículo publicado hoy en Comunicaciones de la naturaleza , los investigadores de computación cuántica de UNSW describen cómo crearon átomos artificiales en un 'punto cuántico' de silicio, un pequeño espacio en un circuito cuántico donde los electrones se usan como qubits o bits cuánticos, las unidades básicas de información cuántica.
El profesor de Scientia Andrew Dzurak explica que, a diferencia de un átomo real, un átomo artificial no tiene núcleo, pero aún tiene capas de electrones que zumban alrededor del centro del dispositivo, en lugar de alrededor del núcleo del átomo.
"La idea de crear átomos artificiales utilizando electrones no es nueva, de hecho, se propuso por primera vez teóricamente en la década de 1930 y luego se demostró experimentalmente en la década de 1990, aunque no en silicio. Primero hicimos una versión rudimentaria en silicona de nuevoen 2013 ", dice el profesor Dzurak, que es miembro de ARC Laureate y también es director de la Instalación Nacional de Fabricación de Australia en UNSW, donde se fabricó el dispositivo de puntos cuánticos.
"Pero lo que realmente nos entusiasma de nuestra última investigación es que los átomos artificiales con un mayor número de electrones resultan ser qubits mucho más robustos de lo que se pensaba anteriormente, lo que significa que pueden usarse de manera confiable para cálculos en computadoras cuánticas. Esto es significativoporque los qubits basados en un solo electrón pueden ser muy poco confiables "
Química 101
El profesor Dzurak compara los diferentes tipos de átomos artificiales que su equipo ha creado con una especie de tabla periódica para bits cuánticos, que según él es apta dado que 2019, cuando se llevó a cabo este trabajo innovador, fue el Año Internacionalde la tabla periódica
"Si recuerda su clase de ciencias de la escuela secundaria, puede recordar una tabla polvorienta colgada en la pared que enumera todos los elementos conocidos en el orden de cuántos electrones tenían, comenzando con Hidrógeno con un electrón, Helio con dos, Litio con tres y así sucesivamente.
"Incluso puede recordar que a medida que cada átomo se vuelve más pesado, con más y más electrones, se organizan en diferentes niveles de órbita, conocidos como 'capas'.
"Resulta que cuando creamos átomos artificiales en nuestros circuitos cuánticos, también tienen capas de electrones bien organizadas y predecibles, al igual que los átomos naturales en la tabla periódica".
conecta los puntos
El profesor Dzurak y su equipo de la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la UNSW, incluido el estudiante de doctorado Ross Leon, autor principal de la investigación, y el Dr. Andre Saraiva, configuraron un dispositivo cuántico en silicio para probar la estabilidad de los electrones en átomos artificiales.
Aplicaron un voltaje al silicio a través de un electrodo de 'puerta' de superficie metálica para atraer electrones de repuesto del silicio para formar el punto cuántico, un espacio infinitamente pequeño de solo alrededor de 10 nanómetros de diámetro.
"A medida que aumentamos lentamente el voltaje, atraeríamos nuevos electrones, uno tras otro, para formar un átomo artificial en nuestro punto cuántico", dice el Dr. Saraiva, quien dirigió el análisis teórico de los resultados.
"En un átomo real, tienes una carga positiva en el medio, que es el núcleo, y luego los electrones cargados negativamente se mantienen alrededor de él en órbitas tridimensionales. En nuestro caso, en lugar del núcleo positivo, la carga positiva vienedel electrodo de compuerta que está separado del silicio por una barrera aislante de óxido de silicio, y luego los electrones se suspenden debajo de él, cada uno orbitando alrededor del centro del punto cuántico. Pero en lugar de formar una esfera, están dispuestos planos, enun disco "
El Sr. Leon, que realizó los experimentos, dice que los investigadores estaban interesados en lo que sucedió cuando un electrón adicional comenzó a poblar una nueva capa externa. En la tabla periódica, los elementos con un solo electrón en sus capas externas incluyen el hidrógeno y los metalesLitio, Sodio y Potasio.
"Cuando creamos el equivalente de Hidrógeno, Litio y Sodio en el punto cuántico, básicamente podemos usar ese electrón solitario en la capa externa como un qubit", dice Ross.
"Hasta ahora, las imperfecciones en los dispositivos de silicio a nivel atómico han alterado la forma en que se comportan los qubits, lo que lleva a operaciones y errores poco confiables. Pero parece que los electrones adicionales en las capas internas actúan como un 'cebador' en la superficie imperfectadel punto cuántico, suavizando las cosas y dando estabilidad al electrón en la capa externa ".
Mira el giro
Lograr la estabilidad y el control de los electrones es un paso crucial para que las computadoras cuánticas basadas en silicio se conviertan en realidad. Cuando una computadora clásica usa 'bits' de información representada por un 0 o un 1, los qubits en una computadora cuántica pueden almacenar valoresde 0 y 1. simultáneamente. Esto permite que una computadora cuántica realice cálculos en paralelo, en lugar de uno tras otro como lo haría una computadora convencional. La potencia de procesamiento de datos de una computadora cuántica aumenta exponencialmente con el número de qubits que tiene disponibles.
Es el giro de un electrón que usamos para codificar el valor del qubit, explica el profesor Dzurak.
"El giro es una propiedad mecánica cuántica. Un electrón actúa como un pequeño imán y, dependiendo de la forma en que gira, su polo norte puede apuntar hacia arriba o hacia abajo, lo que corresponde a un 1 o un 0.
"Cuando los electrones en un átomo real, o en nuestros átomos artificiales, forman una capa completa, alinean sus polos en direcciones opuestas para que el giro total del sistema sea cero, haciéndolos inútiles como un qubit. Pero cuandoagregue un electrón más para comenzar un nuevo caparazón, este electrón adicional tiene un giro que ahora podemos usar como qubit nuevamente.
"Nuestro nuevo trabajo muestra que podemos controlar el giro de electrones en las capas externas de estos átomos artificiales para darnos qubits confiables y estables".
"Esto es realmente importante porque significa que ahora podemos trabajar con qubits mucho menos frágiles. Un electrón es algo muy frágil. Sin embargo, un átomo artificial con 5 electrones, o 13 electrones, es mucho más robusto".
La ventaja del silicio
El grupo del profesor Dzurak fue el primero en el mundo en demostrar la lógica cuántica entre dos qubits en dispositivos de silicio en 2015, y también ha publicado un diseño para una arquitectura de chip de computadora cuántica a gran escala basada en tecnología CMOS, que es la misma tecnología utilizadapara fabricar todos los chips de computadora modernos.
"Al usar la tecnología CMOS de silicio, podemos reducir significativamente el tiempo de desarrollo de las computadoras cuánticas con los millones de qubits que se necesitarán para resolver problemas de importancia global, como el diseño de nuevos medicamentos o nuevos catalizadores químicos para reducir el consumo de energía", dice el profesor Dzurak.
En la continuación de este último avance, el grupo explorará cómo se aplican las reglas de enlace químico a estos nuevos átomos artificiales, para crear 'moléculas artificiales'. Estas se utilizarán para crear puertas lógicas mejoradas de múltiples qubits necesarias para la realizaciónde una computadora cuántica de silicio a gran escala.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Nueva Gales del Sur . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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