Los investigadores del MIT han desarrollado un proceso para fabricar e integrar "átomos artificiales, "creado por defectos a escala atómica en rodajas de diamante microscópicamente delgadas, con circuitos fotónicos, produciendo el chip cuántico más grande de su tipo.

El logro "marca un punto de inflexión" en el campo de los procesadores cuánticos escalables, dice Dirk Englund, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática del MIT. Se necesitarán millones de procesadores cuánticos para construir computadoras cuánticas, y la nueva investigación demuestra una forma viable de aumentar la producción de procesadores, él y sus colegas notan.

A diferencia de las computadoras clásicas, que procesan y almacenan información utilizando bits representados por 0 y 1, las computadoras cuánticas operan usando bits cuánticos, o qubits, que puede representar 0, 1, O ambos al mismo tiempo. Esta extraña propiedad permite que las computadoras cuánticas realicen simultáneamente múltiples cálculos, resolver problemas que serían intratables para las computadoras clásicas.

Los qubits en el nuevo chip son átomos artificiales hechos de defectos en el diamante, que se puede estimular con luz visible y microondas para emitir fotones que transportan información cuántica. El proceso, que Englund y su equipo describen en Naturaleza , es un enfoque híbrido, en el que se colocan "microchiplets cuánticos" cuidadosamente seleccionados que contienen múltiples qubits basados ​​en diamantes en un circuito integrado fotónico de nitruro de aluminio.

"En los últimos 20 años de ingeniería cuántica, ha sido la visión definitiva para fabricar tales sistemas de qubit artificiales en volúmenes comparables a la electrónica integrada, ", Dice Englund." Aunque ha habido un progreso notable en esta área de investigación tan activa, Las complicaciones de fabricación y materiales hasta ahora han producido solo dos o tres emisores por sistema fotónico ".

Usando su método híbrido, Englund y sus colegas pudieron construir un sistema de 128 qubit, el chip de fotónica de átomo artificial integrado más grande hasta el momento.

Control de calidad para chiplets

Los átomos artificiales en los chiplets consisten en centros de color en diamantes, defectos en la red de carbono del diamante donde faltan átomos de carbono adyacentes, con sus espacios ocupados por un elemento diferente o dejados vacíos. En los chiplets del MIT, los elementos de reemplazo son germanio y silicio. Cada centro funciona como un emisor en forma de átomo cuyos estados de giro pueden formar un qubit. Los átomos artificiales emiten partículas de luz coloreadas, o fotones, que llevan la información cuántica representada por el qubit.

Los centros de color de diamante hacen buenos qubits de estado sólido, pero "el cuello de botella de esta plataforma es construir un sistema y una arquitectura de dispositivo que pueda escalar a miles y millones de qubits, "Wan explica." Los átomos artificiales están en un cristal sólido, y la contaminación no deseada puede afectar importantes propiedades cuánticas, como los tiempos de coherencia. Es más, las variaciones dentro del cristal pueden hacer que los qubits sean diferentes entre sí, y eso hace que sea difícil escalar estos sistemas ".

En lugar de intentar construir un gran chip cuántico completamente en diamante, los investigadores decidieron adoptar un enfoque modular e híbrido. "Utilizamos técnicas de fabricación de semiconductores para hacer estos pequeños trozos de diamante, de los cuales seleccionamos solo los módulos qubit de la más alta calidad, ", dice Wan." Luego integramos esos chiplets pieza por pieza en otro chip que 'conecta' los chiplets juntos en un dispositivo más grande ".

La integración tiene lugar en un circuito integrado fotónico, que es análogo a un circuito integrado electrónico pero utiliza fotones en lugar de electrones para transportar información. Photonics proporciona la arquitectura subyacente para enrutar y conmutar fotones entre módulos en el circuito con baja pérdida. La plataforma del circuito es de nitruro de aluminio, en lugar del silicio tradicional de algunos circuitos integrados.

Usando este enfoque híbrido de circuitos fotónicos y chiplets de diamantes, los investigadores pudieron conectar 128 qubits en una plataforma. Los qubits son estables y duraderos, y sus emisiones se pueden sintonizar dentro del circuito para producir fotones espectralmente indistinguibles, según Wan y sus colegas.

Un enfoque modular

Si bien la plataforma ofrece un proceso escalable para producir chips fotónicos atómicos artificiales, el siguiente paso será "encenderlo, " por así decirlo, para probar sus habilidades de procesamiento.

"Esta es una prueba de concepto de que los emisores de qubit de estado sólido son tecnologías cuánticas muy escalables, "dice Wan." Para procesar información cuántica, el siguiente paso sería controlar este gran número de qubits y también inducir interacciones entre ellos ".

Los qubits en este tipo de diseño de chip no necesariamente tendrían que ser estos centros de color de diamante en particular. Otros diseñadores de chips pueden elegir otros tipos de centros de color de diamante, defectos atómicos en otros cristales semiconductores como el carburo de silicio, ciertos puntos cuánticos semiconductores, o iones de tierras raras en cristales. "Debido a que la técnica de integración es híbrida y modular, podemos elegir el mejor material adecuado para cada componente, en lugar de depender de las propiedades naturales de un solo material, lo que nos permite combinar las mejores propiedades de cada material dispar en un sistema, "dice Lu.

Será necesario encontrar una manera de automatizar el proceso y demostrar una mayor integración con componentes optoelectrónicos como moduladores y detectores para construir chips aún más grandes necesarios para computadoras cuánticas modulares y repetidores cuánticos multicanal que transportan qubits a largas distancias. dicen los investigadores.

Otros autores sobre el Naturaleza el documento incluye a los investigadores del MIT Noel H. Wan, Tsung-Ju Lu, Kevin C. Chen, Michael P. Walsh, Matthew E. Trusheim, Lorenzo De Santis, Eric A. Bersin, Isaac B. Harris, Sara L. Mouradian e Ian R. Christen; con Edward S. Bielejec en Sandia National Laboratories.