Un equipo dirigido por la Universidad de Melbourne ha perfeccionado una técnica para incrustar átomos individuales en una oblea de silicio uno por uno. Su tecnología ofrece el potencial para hacer computadoras cuánticas utilizando los mismos métodos que nos han dado dispositivos convencionales baratos y confiables que contienen miles de millones de transistores.

"Podíamos 'escuchar' el clic electrónico cuando cada átomo caía en uno de los 10 000 sitios en nuestro dispositivo prototipo. Nuestra visión es usar esta técnica para construir un dispositivo cuántico a muy, muy gran escala", dice el profesor David Jamieson de la Universidad. de Melbourne, autor principal del artículo de Materiales Avanzados que describe el proceso.

Sus coautores son de UNSW Sydney, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Leibniz Institute of Surface Engineering (IOM) y RMIT Microscopy and Microanalysis Facility.

"Creemos que, en última instancia, podríamos fabricar máquinas a gran escala basadas en bits cuánticos de un solo átomo utilizando nuestro método y aprovechando las técnicas de fabricación que la industria de los semiconductores ha perfeccionado", afirma.

Hasta ahora, implantar átomos en silicio ha sido un proceso desordenado, en el que un chip de silicio recibe una lluvia de fósforo que se implanta en un patrón aleatorio, como gotas de lluvia en una ventana.

"Incrustamos iones de fósforo, contándolos con precisión cada uno, en un sustrato de silicio creando un 'chip' de qubit, que luego se puede usar en experimentos de laboratorio para probar diseños para dispositivos a gran escala".

"Esto nos permitirá diseñar las operaciones de lógica cuántica entre grandes conjuntos de átomos individuales, conservando operaciones de alta precisión en todo el procesador", dice Andrea Morello, profesora de Scientia de la UNSW y coautora del artículo. "En lugar de implantar muchos átomos en ubicaciones aleatorias y seleccionar los que funcionan mejor, ahora se colocarán en una matriz ordenada, similar a los transistores en los chips de computadora de semiconductores convencionales".

"Utilizamos tecnología avanzada desarrollada para detectores de rayos X sensibles y un microscopio de fuerza atómica especial desarrollado originalmente para la misión espacial Rosetta junto con un modelo informático integral para la trayectoria de los iones implantados en el silicio, desarrollado en colaboración con nuestros colegas en Alemania". dice el Dr. Alexander (Melvin) Jakob, primer autor del artículo, también de la Universidad de Melbourne.

Esta nueva técnica puede crear patrones a gran escala de átomos contados que se controlan para que sus estados cuánticos puedan manipularse, acoplarse y leerse.

La técnica desarrollada por el profesor Jamieson y sus colegas aprovecha la precisión del microscopio de fuerza atómica, que tiene un voladizo afilado que 'toca' suavemente la superficie de un chip con una precisión de posicionamiento de solo medio nanómetro, aproximadamente la misma que la del espacio entre los átomos en un cristal de silicio.

El equipo perforó un pequeño orificio en este voladizo, de modo que cuando se bañaba con átomos de fósforo, ocasionalmente uno caía a través del orificio y se incrustaba en el sustrato de silicio.

Sin embargo, la clave era saber con precisión cuándo un átomo, y no más de uno, se había incrustado en el sustrato. Luego, el voladizo podría moverse a la siguiente posición precisa en la matriz.

El equipo descubrió que la energía cinética del átomo a medida que choca contra el cristal de silicio y disipa su energía por fricción se puede aprovechar para hacer un pequeño "clic" electrónico.

Así es como saben que un átomo se ha incrustado en el silicio y para moverse a la siguiente posición precisa.

"Un átomo que choca con una pieza de silicio produce un clic muy débil, pero hemos inventado una electrónica muy sensible que se usa para detectar el clic, está muy amplificado y da una señal fuerte, una señal fuerte y confiable", dice el profesor Jamieson.

"Eso nos permite tener mucha confianza en nuestro método. Podemos decir:'Oh, hubo un clic. Acaba de llegar un átomo". Ahora podemos mover el voladizo al siguiente punto y esperar al siguiente átomo".

"Con nuestros socios del Centro, ya hemos producido resultados innovadores en qubits de un solo átomo hechos con esta técnica, pero el nuevo descubrimiento acelerará nuestro trabajo en dispositivos a gran escala", dice.

¿Qué es la computación cuántica y por qué es importante?

Las computadoras cuánticas realizan cálculos usando los variados estados de átomos individuales de la misma manera que las computadoras convencionales usan bits, la unidad más básica de información digital.

Pero mientras que un bit tiene solo dos valores posibles (1 o 0, verdadero o falso), un bit cuántico, o qubit, se puede colocar en una superposición de 0 y 1. Los pares de qubits se pueden colocar en estados de superposición aún más peculiares, como como "01 más 10", llamados estados entrelazados. Agregar aún más qubits crea un número exponencialmente creciente de estados entrelazados, que constituyen un poderoso código de computadora que no existe en las computadoras clásicas. Esta densidad exponencial de información es lo que le da a los procesadores cuánticos su ventaja computacional.

Esta rareza mecánica cuántica básica tiene un gran potencial para crear computadoras capaces de resolver ciertos problemas computacionales que las computadoras convencionales encontrarían imposibles debido a su complejidad.

Las aplicaciones prácticas incluyen nuevas formas de optimizar cronogramas y finanzas, criptografía indescifrable y diseño computacional de medicamentos, tal vez incluso el rápido desarrollo de nuevas vacunas.

"Si quisieras calcular la estructura de la molécula de cafeína, una molécula muy importante para la física, no puedes hacerlo con una computadora clásica porque hay demasiados electrones", dice el profesor Jamieson.

"Todos estos electrones obedecen a la física cuántica y a la ecuación de Schrödinger. Pero si vas a calcular la estructura de esa molécula, hay tantas interacciones electrón-electrón que incluso las supercomputadoras más poderosas del mundo actual no pueden hacerlo.

"Una computadora cuántica podría hacer eso, pero necesita muchos qubits porque tiene que corregir errores aleatorios y ejecutar un código de computadora muy complicado".

Los chips de silicio que contienen matrices de átomos dopantes individuales pueden ser el material de elección para dispositivos clásicos y cuánticos que explotan giros de donantes únicos. Por ejemplo, los donantes del grupo V implantados en cristales de Si purificados isotópicamente son atractivos para las computadoras cuánticas a gran escala. Los atributos útiles incluyen una larga vida útil del espín nuclear y del electrón de P, transiciones de reloj hiperfinas en Bi o espines nucleares de Sb controlables eléctricamente.

Las arquitecturas prometedoras requieren la capacidad de fabricar matrices de átomos dopantes individuales cerca de la superficie con un alto rendimiento. En este caso, se emplea un sistema de electrodos detectores en el chip con un ruido de raíz cuadrada media de 70 eV (≈20 electrones) para demostrar la implantación casi a temperatura ambiente de iones P+ individuales de 14 keV.

El modelo físico para la interacción ion-sólido muestra una confianza de detección de ion único de límite superior sin precedentes de 99,85 ± 0,02 % para implantes cercanos a la superficie. Como resultado, el rendimiento de dopaje de silicio controlado práctico está limitado por factores de ingeniería de materiales, incluidos los óxidos de puerta de superficie en los que pueden detenerse los iones detectados.

Para un dispositivo con óxido de puerta de 6 nm e implantes P+ de 14 keV, se demuestra un límite de rendimiento del 98,1 %. Los óxidos de puerta más delgados permiten que este límite converja al límite superior. Por lo tanto, la implantación determinista de un solo ion puede ser una estrategia de ingeniería de materiales viable para arquitecturas dopantes escalables en dispositivos de silicio. + Explora más

Se ha realizado un estado entrelazado de tres qubits en una matriz totalmente controlable de qubits giratorios en silicio