Un grupo de científicos internacionales ha prolongado sustancialmente la duración del tiempo en que un qubit de órbita de espín en silicio puede retener información cuántica durante, abriendo un nuevo camino para hacer que las computadoras cuánticas de silicio sean más escalables y funcionales.

Los qubits de órbita giratoria se han investigado durante más de una década como una opción para aumentar la cantidad de qubits en una computadora cuántica. ya que son fáciles de manipular y acoplar a largas distancias. Sin embargo, siempre han mostrado tiempos de coherencia muy limitados, demasiado corto para las tecnologías cuánticas.

La investigación publicada hoy en Materiales de la naturaleza muestra que son posibles tiempos de coherencia prolongados cuando el acoplamiento espín-órbita es lo suficientemente fuerte. De hecho, los científicos demostraron coherencia multiplicada por 10, 000 veces más de lo registrado anteriormente para qubits de órbita giratoria, haciéndolos un candidato ideal para escalar las computadoras cuánticas de silicio.

"Dimos la vuelta a la sabiduría convencional al demostrar tiempos de coherencia excepcionalmente largos (~ 10 milisegundos) y, por lo tanto, que los qubits de órbita giratoria pueden ser notablemente robustos, "dice el profesor de la UNSW Sven Rogge, Investigador Jefe, Centro de Tecnología de Computación y Comunicación Cuántica (CQC2T), quien dirigió el equipo de investigación.

El acoplamiento fuerte es clave

La estabilidad de un qubit determina el período de tiempo durante el que puede conservar la información cuántica.

En los qubits de órbita de espín, la información se almacena sobre el espín del electrón y su movimiento, es decir, cómo "orbita" los átomos en la red del chip. Es la fuerza del acoplamiento entre estos dos giros lo que mantiene al qubit estable y menos propenso a ser destruido por el ruido eléctrico en los dispositivos.

"La información cuántica en la mayoría de los qubits de órbita de espín es extremadamente frágil. Nuestro qubit de órbita de espín es especial porque la información cuántica almacenada en él es muy robusta, "dice el autor principal, el Dr. Takashi Kobayashi, quien realizó la investigación en UNSW y ahora está en la Universidad de Tohoku.

"La información se almacena en la orientación del espín y la órbita del electrón, no solo el giro. La órbita circular del electrón cargado y el espín están bloqueados como engranajes debido a la fuerte atracción en el acoplamiento espín-órbita.

"Aumentar la fuerza de ese acoplamiento espín-órbita nos permite lograr los tiempos de coherencia significativamente más largos que hemos publicado hoy".

Ingeniería de tiempos de coherencia más largos

Para aumentar el tiempo de coherencia, Los investigadores crearon por primera vez qubits de órbita giratoria mediante la introducción de impurezas, llamados átomos dopantes aceptores, en un cristal de silicio. Luego, el equipo modificó la deformación en la estructura reticular de silicio del chip para generar diferentes niveles de acoplamiento espín-órbita.

"El cristal es especial porque solo contiene el isótopo de silicio sin espín nuclear. Esto elimina el ruido magnético, y debido a que se tensa, la sensibilidad al ruido eléctrico también se reduce ”, dice Kobayashi.

"Nuestro chip se fijó a un material que a baja temperatura estira el silicio, como una banda de goma. Estirar la red a la tensión correcta nos permitió ajustar el acoplamiento espín-órbita al valor óptimo".

El resultado final produjo tiempos de coherencia superiores a 10, 000 veces más de lo que se había encontrado anteriormente en qubits de órbita giratoria.

Esto significa que la información cuántica se conserva durante mucho más tiempo, permitiendo que se realicen muchas más operaciones, un trampolín importante para escalar las computadoras cuánticas.

Ampliación con acoplamiento espín-órbita

Para que una computadora cuántica supere a una computadora clásica, un gran número de qubits necesitan trabajar juntos para realizar cálculos complejos.

"La estabilidad de nuestro qubit de órbita giratoria a los campos eléctricos es única, demostrando una nueva vía sólida para hacer computadoras cuánticas escalables ". Dice el coautor Joe Salfi, quien realizó la investigación en CQC2T y ahora está en la Universidad de Columbia Británica.

En última instancia, el hallazgo permite nuevas formas de manipular qubits individuales y acoplar qubits en distancias mucho mayores. lo que hará que el proceso de fabricación de chips sea más flexible.

La interacción eléctrica también permite el acoplamiento a otros sistemas cuánticos, abriendo las perspectivas de los sistemas cuánticos híbridos.

Investigaciones anteriores publicadas en Avances de la ciencia por el equipo de la UNSW demostró que el acoplamiento espín-órbita en el silicio proporciona muchas ventajas para escalar hasta una gran cantidad de qubits.

"Los giros en silicio son muy atractivos para los dispositivos de información cuántica escalables porque son estables y compatibles con las técnicas de procesamiento informático actuales, hacer que esos dispositivos sean fáciles de fabricar, "dice el profesor Rogge.

"Ahora que hemos demostrado tiempos de coherencia prolongados, los qubits de órbita de espín son un fuerte candidato para un procesador cuántico de silicio a gran escala ".