Las computadoras cuánticas tienen el potencial de romper las técnicas comunes de criptografía, buscar grandes conjuntos de datos y simular sistemas cuánticos en una fracción del tiempo que tomarían las computadoras actuales. Pero antes de que esto pueda suceder, los ingenieros deben poder aprovechar las propiedades de los bits cuánticoso qubits.
Actualmente, uno de los principales métodos para crear qubits en materiales implica la explotación de los defectos atómicos estructurales en el diamante. Pero varios investigadores de la Universidad de Chicago y el Laboratorio Nacional de Argonne creen que si un defecto análogo pudiera transformarse en un material menos costoso,el costo de fabricar tecnologías cuánticas podría reducirse significativamente.Utilizando supercomputadoras en el Centro Nacional de Investigación Científica de Energía NERSC, que se encuentra en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Laboratorio Berkeley, estos investigadores han identificado un posible candidato en nitruro de aluminio.Sus hallazgos fueron publicados en Nature's Informes científicos
"Los semiconductores de silicio están llegando a sus límites físicos, probablemente sucederá dentro de los próximos cinco a 10 años, pero si podemos implementar qubits en semiconductores, podremos movernos más allá del silicio", dice Hosung Seo, UniversidadInvestigador Postdoctoral de Chicago y primer autor del artículo.
"Nuestra comunidad ha estado buscando diamantes durante algún tiempo, pero es interesante estudiar un material menos costoso; nuestra motivación es encontrar un reemplazo práctico y asequible para el silicio en semiconductores. El nitruro de aluminio es un candidato perfecto porque es muchomás barato que el diamante y hay una serie de tecnologías que se pueden desarrollar a partir de obleas de nitruro de aluminio ", dice Marco Govoni, investigador postdoctoral en la Universidad de Chicago y el Laboratorio Nacional de Argonne. También es coautor del artículo.
Además de Seo y Govoni, Giulia Galli también es coautora del artículo. Galli es profesora de la familia Liew en Estructura y Simulaciones Electrónicas en el Instituto de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago.
El extraño mundo de los bits cuánticos
La mecánica cuántica describe las leyes de la naturaleza en la escala de átomos, núcleos y electrones individuales. En la escala cuántica, la física se vuelve extraña. Tomemos, por ejemplo, el entrelazamiento cuántico: esto ocurre cuando pares o grupos de partículas interactúan de tal manera queel estado de cada partícula no puede describirse individualmente, en cambio, el estado debe describirse para el sistema como un todo. En otras palabras, las partículas enredadas actúan como una unidad.
Otro fenómeno peculiar de la mecánica cuántica es la superposición, que ocurre cuando dos estados cuánticos se suman para formar otro estado cuántico válido. Entonces, mientras que un bit de computadora convencional codifica información como cero o uno, un qubit puede ser cero, uno osuperposición de estados tanto cero como uno al mismo tiempo. Y, si estos qubits pudieran vincularse o enredarse en una computadora cuántica, los problemas que no pueden resolverse hoy en día con las computadoras convencionales podrían abordarse.
Hoy, uno de los qubits de estado sólido más prometedores se crea cuando un átomo de nitrógeno ocupa un lugar cerca de un sitio vacante en la red de carbono de un diamante; este defecto se llama centro de vacantes de nitrógeno en el diamante. La presencia de nitrógeno es en realidadlo que le da al diamante su tinte amarillento.
Utilizando la supercomputadora Edison de NERSC, los investigadores descubrieron que al aplicar deformación al nitruro de aluminio, uno podría crear defectos estructurales que podrían aprovecharse como qubits similares a los que se ven en el diamante. Sus cálculos se realizaron utilizando diferentes niveles de teoría y el código WESTdesarrollado en la Universidad de Chicago por Govoni, Galli y otros investigadores del grupo Galli.
"El código WEST nos permitió predecir con precisión la posición de los niveles de defectos en el intervalo de banda de los semiconductores", dice Seo. "Idealmente, queremos tener niveles de defectos en el medio del intervalo de banda de los materiales porque estosignifica que la estructura electrónica del defecto está bien aislada de la del material anfitrión. Esto es importante para la estabilidad del qubit, para evitar la falta de coherencia "
"No podríamos haber hecho este trabajo sin los recursos de NERSC. Para simular estos defectos cuánticos también es necesario simular con precisión el entorno circundante; esto requiere mucha potencia computacional", dice Govoni. "Básicamente tienes unmuchos átomos y muchos electrones, y luego, en medio de su simulación, hay un defecto en el que desea enfocarse, pero interactúa con el resto ".
El siguiente paso para Seo, Govoni y Galli es trabajar con los experimentadores para ver si sus predicciones teóricas pueden confirmarse en un laboratorio. Esta investigación fue apoyada por el Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales MRSEC de la Universidad de Chicago,que recibe fondos de la National Science Foundation NSF y de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía DOE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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