Las computadoras cuánticas tienen el potencial de transformar campos como la medicina, ciberseguridad e inteligencia artificial mediante la resolución de problemas difíciles de optimización que están más allá del alcance del hardware informático convencional.

Pero la tecnología para fabricar los dispositivos a gran escala aún no existe.

Investigadores de la Universidad de Texas en Dallas han desarrollado una técnica que podría eliminar uno de los desafíos para escalar la producción de dispositivos cuánticos de silicio. Los investigadores describieron su método, que proporciona un mayor control y precisión durante el proceso de fabricación, en un estudio publicado en línea el 28 de mayo y en la edición impresa de julio de la Revista de ciencia y tecnología del vacío B . El silicio es el material preferido para la base de los dispositivos cuánticos debido a su compatibilidad con la tecnología de semiconductores convencional.

El autor correspondiente del estudio, Dr. Reza Moheimani, la Cátedra Distinguida James Von Ehr en Ciencia y Tecnología y profesor de ingeniería de sistemas en la Escuela de Ingeniería y Ciencias de la Computación Erik Jonsson, recibió una subvención del Departamento de Energía de EE. UU. de $ 2.4 millones en 2019 para desarrollar tecnología para la fabricación atómicamente precisa, el proceso de construcción de nuevos materiales y dispositivos átomo por átomo.

El equipo de Moheimani está abordando una variedad de desafíos para la fabricación de dispositivos cuánticos.

"Nuestro último trabajo aumenta la precisión del proceso de fabricación, ", Dijo Moheimani." También estamos trabajando para aumentar el rendimiento, velocidad y confiabilidad ".

El método de los investigadores para construir un qubit basado en silicio, o bit cuántico, la unidad básica de información en una computadora cuántica, comienza con una superficie de silicio atómicamente plana recubierta con una capa de hidrógeno, lo que evita que otros átomos o moléculas sean absorbidos por la superficie. Próximo, los investigadores utilizan un microscopio de efecto túnel (STM), que cuenta con una sonda con una punta atómicamente afilada, funcionando como un brazo micro-robótico, para eliminar átomos de hidrógeno selectivamente de la superficie. El STM fue diseñado para obtener imágenes de características atómicas en una superficie, sin embargo, Los investigadores también utilizan el dispositivo para manipular átomos en un modo llamado litografía de despasivación de hidrógeno (HDL).

El minucioso proceso implica colocar la punta sobre un átomo de hidrógeno, agregar una señal de alta frecuencia al voltaje de polarización de la muestra de punta y aumentar la amplitud de la señal de alta frecuencia hasta que el átomo de hidrógeno se desprenda de la superficie, revelando silicio debajo. Después de que un número predeterminado de átomos de hidrógeno se eliminan selectivamente de la superficie, El gas fosfina se introduce en el medio ambiente y después de un proceso específico, los átomos de fósforo se adsorben en la superficie, donde cada uno funciona como un qubit.

El problema con el HDL convencional es que puede ser fácil para el operador extraer el átomo de hidrógeno incorrecto, lo que da como resultado la creación de qubits en ubicaciones no deseadas. El uso del STM para HDL requiere un voltaje más alto que para las imágenes, que con demasiada frecuencia hace que la punta se estrelle contra la muestra de superficie, obligando al operador a empezar de nuevo.

Los investigadores estaban trabajando en su solución al problema de STM tip-crash cuando descubrieron un método más preciso para manipular los átomos de la superficie.

"La litografía convencional no puede lograr la precisión atómica requerida, "Moheimani dijo." El problema es que estamos usando un microscopio para hacer la litografía; estamos usando un dispositivo para hacer algo para lo que no está diseñado ".

Los investigadores descubrieron que podían lograr una mayor precisión realizando HDL en modo de imagen, en lugar del modo de litografía convencional, con algunos ajustes en el voltaje y un cambio en el sistema de control de retroalimentación del STM.

"Nos dimos cuenta de que podíamos utilizar este método para eliminar átomos de hidrógeno de forma controlada, "Moheimani dijo." Esto fue una sorpresa. Es una de esas cosas que sucede durante los experimentos, y tratas de explicarlo y aprovecharlo ".

Se espera que las computadoras cuánticas puedan almacenar más información que las computadoras actuales. Transistores de corriente, que retransmite información, no se puede hacer más pequeño, dijo Hamed Alemansour, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica y autor principal del estudio.

"El tipo de tecnología que se utiliza ahora para fabricar transistores ha llegado a su límite. Es difícil volver a reducir el tamaño mediante métodos convencionales, "Dijo Alemansour.

Mientras que una computadora convencional usa los valores precisos de 1 y 0 para hacer cálculos, las unidades lógicas fundamentales de una computadora cuántica son más fluidas, con valores que pueden existir como una combinación de unos y ceros al mismo tiempo o en cualquier punto intermedio. El hecho de que un qubit pueda representar dos números al mismo tiempo permite que la computadora cuántica procese la información mucho más rápido.

Uno de los próximos desafíos, Moheimani dijo:será desarrollar tecnología para operar múltiples puntas STM a la vez.

"¿Qué pasaría si pudiéramos usar 10 o 100 puntas en paralelo entre sí para poder hacer la misma litografía multiplicada por 100 veces? ¿Y si pudiéramos hacerlo 10 veces más rápido? Si pudiéramos fabricar 100 qubits 10 veces más rápido, somos 1, 000 veces mejor ya, "Dijo Moheimani.