La investigación realizada por físicos de la Universidad de Princeton está allanando el camino para el uso de tecnologías basadas en silicio en la computación cuántica, especialmente como bits cuánticos, las unidades básicas de las computadoras cuánticas. Esta investigación promete acelerar el uso de la tecnología del silicio como alternativa viable a otras tecnologías de computación cuántica, como los superconductores o los iones atrapados.

En una investigación publicada en la revista Science Advances , los físicos de Princeton utilizaron un dispositivo cuántico de silicio de dos qubits para lograr un nivel de fidelidad sin precedentes. Por encima del 99 por ciento, esta es la fidelidad más alta lograda hasta ahora para una puerta de dos qubits en un semiconductor y está a la par con los mejores resultados logrados por las tecnologías de la competencia. La fidelidad, que es una medida de la capacidad de un qubit para realizar operaciones sin errores, es una característica clave en la búsqueda para desarrollar computación cuántica práctica y eficiente.

Investigadores de todo el mundo están tratando de averiguar qué tecnologías, como los qubits superconductores, los iones atrapados o los qubits de espín de silicio, por ejemplo, pueden emplearse mejor como unidades básicas de la computación cuántica. Y, de igual importancia, los investigadores están explorando qué tecnologías tendrán la capacidad de escalar más eficientemente para uso comercial.

"Los qubits de espín de silicio están cobrando impulso [en el campo]", dijo Adam Mills, estudiante graduado en el Departamento de Física de la Universidad de Princeton y autor principal del estudio publicado recientemente. "Parece un gran año para el silicio en general".

Mediante el uso de un dispositivo de silicio llamado punto cuántico doble, los investigadores de Princeton pudieron capturar dos electrones y forzarlos a interactuar. El estado de espín de cada electrón se puede utilizar como un qubit y la interacción entre los electrones puede enredar estos qubits. Esta operación es crucial para la computación cuántica, y el equipo de investigación, dirigido por Jason Petta, profesor de Física Eugene Higgins en Princeton, pudo realizar esta operación entrelazada con un nivel de fidelidad superior al 99,8 por ciento.

Un qubit, en términos más simples, es una versión cuántica de un bit de computadora, que es la unidad de datos más pequeña en una computadora. Al igual que su contraparte clásica, el qubit está codificado con información que puede tener el valor de uno o cero. Pero a diferencia del bit, el qubit es capaz de explotar los conceptos de la mecánica cuántica para que pueda realizar tareas que los bits clásicos no pueden.

"En un qubit puedes codificar ceros y unos, pero también puedes tener superposiciones de estos ceros y unos", dijo Mills. Esto significa que cada qubit puede ser simultáneamente un cero y un uno. Este concepto, llamado superposición, es una cualidad fundamental de la mecánica cuántica y que permite que los qubits realicen operaciones que parecen asombrosas y de otro mundo. En términos prácticos, permite que la computadora cuántica tenga una mayor ventaja sobre las computadoras convencionales, por ejemplo, factorizando números muy grandes o aislando la solución más óptima a un problema.

El "giro" en los qubits de giro es el momento angular del electrón. Es una propiedad cuántica que se manifiesta como un pequeño dipolo magnético que puede usarse para codificar información. Un análogo clásico es la aguja de una brújula, que tiene polos norte y sur, y gira para alinearse con el campo magnético de la Tierra. Mecánicamente cuánticamente, el espín del electrón puede alinearse con el campo magnético generado en el laboratorio (espín hacia arriba), u orientarse en forma antiparalela al campo (espín hacia abajo), o estar en una superposición cuántica de espín hacia arriba y centrifugar. El espín es la propiedad del electrón aprovechado en dispositivos cuánticos basados ​​en silicio; Las computadoras convencionales, por el contrario, funcionan manipulando la carga negativa de un electrón.

Mills afirmó que, en general, los qubits de espín de silicio tienen ventajas sobre otros tipos de qubits. "La idea es que cada sistema tendrá que escalar a muchos qubits", dijo. "Y en este momento, los otros sistemas qubit tienen limitaciones físicas reales para la escalabilidad. El tamaño podría ser un problema real con estos sistemas. Solo hay tanto espacio en el que puedes meter estas cosas".

En comparación, los qubits de espín de silicio están hechos de electrones individuales y son extremadamente pequeños.

"Nuestros dispositivos tienen solo unos 100 nanómetros de ancho, mientras que un qubit superconductor convencional tiene más de 300 micrones de ancho, por lo que si desea hacer muchos en un chip, será difícil usar un enfoque superconductor", dijo Petta.

La otra ventaja de los qubits de espín de silicio, agregó Petta, es que la electrónica convencional actual se basa en tecnología de silicio. "Nuestro sentimiento es que si realmente quieres hacer un millón o diez millones de qubits que se requerirán para hacer algo práctico, eso solo sucederá en un sistema de estado sólido que se pueda escalar utilizando la industria de fabricación de semiconductores estándar. "

Aún así, operar qubits giratorios, como otros tipos de qubits, con alta fidelidad ha sido un desafío para los investigadores.

"Uno de los cuellos de botella para la tecnología de los qubits giratorios es que la fidelidad de la puerta de dos qubits hasta hace muy poco no ha sido tan alta", dijo Petta. "Ha estado muy por debajo del 90 por ciento en la mayoría de los experimentos".

Pero fue un desafío que Petta, Mills y el equipo de investigación creyeron que se podía lograr.

Para realizar el experimento, los investigadores primero tuvieron que capturar un solo electrón, una tarea nada fácil.

"Estamos atrapando un solo electrón, una partícula muy pequeña, y necesitamos llevarla a una región específica del espacio y luego hacerla bailar", dijo Petta.

Para hacer esto, Mills, Petta y sus colegas necesitaban construir una "jaula". Esto tomó la forma de un semiconductor delgado como una oblea hecho principalmente de silicio. At the top of this the team patterned little electrodes, which creates the electrostatic potential used to corral the electron. Two of these cages put together, separated by a barrier, or gate, constituted the double quantum dot.

"We have two spins sitting in adjacent sites next to each other," said Petta. "By adjusting the voltage on these gates, we can momentarily push the electrons together and cause them to interact. This is called a two-qubit gate."

The interaction causes each spin qubit to evolve according to the state of its neighboring spin qubits, which leads to entanglement in quantum systems. The researchers were able to perform this two-qubit interaction with a fidelity exceeding 99 percent. To date, this is the highest fidelity for a two-qubit gate that has thus far been achieved in spin qubits.

Petta said that the results of this experiment place this technology—silicon spin qubits—on an equal footing with the best results achieved by the other major competing technologies. "This technology is on a strongly increasing slope," he said, "and I think it's just a matter of time before it overtakes the superconducting systems."

"Another important aspect of this paper," Petta added, "is that it's not just a demonstration of a high fidelity two-qubit gate, but this device does it all. This is the first demonstration of a semiconductor spin qubit system where we have integrated performance of the entire system—the state preparation, the read out, the single qubit control, the two-qubit control—all with performance metrics that exceed the threshold you need to make a larger-scale system work."

In addition to Mills and Petta, the work also included the efforts of Princeton graduate students Charles Guinn and Mayer Feldman, as well as University of Pennsylvania assistant professor of electrical engineering Anthony Sigillito. Also contributing to the paper and research were Michael Gullans, Department of Physics, Princeton University and the Center for Quantum Information and Computer Science at NIST/University of Maryland, and Erik Nielsen of the Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico. + Explora más

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