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 la computación cuántica de la UNSW describen cómo crearon átomos artificiales en un 'punto cuántico' de silicio, un pequeño espacio en un circuito cuántico donde los electrones se utilizan como qubits (o bits cuánticos), las unidades básicas de información cuántica.

Andrew Dzurak, profesor de Scientia, explica que, a diferencia de un átomo real, un átomo artificial no tiene núcleo, pero todavía tiene capas de electrones zumbando 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 silicio en 2013, "dice el profesor Dzurak, quien es un ARC Laureate Fellow 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 una mayor cantidad de electrones resultan ser qubits mucho más robustos de lo que se creía posible". lo que significa que pueden usarse de manera confiable para cálculos en computadoras cuánticas. Esto es significativo porque los qubits basados ​​en un solo electrón pueden ser muy poco fiables ".

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, lo que él dice es apropiado dado que 2019, cuando se llevó a cabo este trabajo pionero, fue el Año Internacional de la Tabla Periódica.

"Si piensas en la 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, conocido como 'conchas'.

"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 de la tabla periódica ".

Conecta los puntos

El profesor Dzurak y su equipo de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la UNSW, incluido el Ph.D. el estudiante Ross Leon, quien también es 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 infinitesimalmente pequeño de solo unos 10 nanómetros de diámetro.

"A medida que aumentamos lentamente el voltaje, dibujaríamos nuevos electrones, Uno después del otro, para formar un átomo artificial en nuestro punto cuántico, "dice el Dr. Saraiva, quien lideró el análisis teórico de los resultados.

"En un átomo real, tienes una carga positiva en el medio, siendo el núcleo, y luego los electrones cargados negativamente se mantienen a su alrededor en órbitas tridimensionales. En nuestro caso, en lugar del núcleo positivo, la carga positiva proviene del electrodo de puerta 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, en un disco ".

Señor Leon, quien hizo los experimentos, dice que los investigadores estaban interesados ​​en lo que sucedió cuando un electrón extra comenzó a poblar una nueva capa exterior. En la tabla periódica, los elementos con un solo electrón en sus capas externas incluyen el hidrógeno y los metales litio, 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 exterior 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, conduciendo a un funcionamiento no fiable y errores. Pero parece que los electrones adicionales en las capas internas actúan como un 'cebador' en la superficie imperfecta del punto cuántico, suavizando las cosas y dando estabilidad al electrón en la capa exterior ".

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 una realidad. Cuando una computadora clásica usa 'bits' de información representados por un 0 o un 1, los qubits en una computadora cuántica pueden almacenar valores de 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. El poder de procesamiento de datos de una computadora cuántica aumenta exponencialmente con la cantidad de qubits que tiene disponibles.

Es el espín de un electrón que usamos para codificar el valor del qubit, explica el profesor Dzurak.

"El giro es una propiedad de la mecánica cuántica. Un electrón actúa como un pequeño imán y, dependiendo de la dirección en la que gire, su polo norte puede apuntar hacia arriba o hacia abajo, correspondiente a un 1 o un 0.

"Cuando los electrones en un átomo real, o nuestros átomos artificiales, formar un caparazón completo, alinean sus polos en direcciones opuestas para que el giro total del sistema sea cero, haciéndolos inútiles como un qubit. Pero cuando agregamos un electrón más para comenzar una nueva capa, este electrón adicional tiene un giro que ahora podemos usar como qubit nuevamente.

“Nuestro nuevo trabajo muestra que podemos controlar el giro de los 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 utilizada para fabricar todos los chips de computadora de hoy en día.

"Mediante el uso de 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.

Como continuación de este último avance, el grupo explorará cómo se aplican las reglas de los enlaces químicos a estos nuevos átomos artificiales, para crear 'moléculas artificiales'. Estos se utilizarán para crear puertas lógicas multi-qubit mejoradas necesarias para la realización de una computadora cuántica de silicio a gran escala.