Os engenheiros quânticos da UNSW Sydney criaram átomos artificiais em chips de silício que oferecem maior estabilidade para a computação quântica.

Em um artigo publicado hoje em Nature Communications , Pesquisadores de computação quântica da UNSW descrevem como criaram átomos artificiais em um 'ponto quântico' de silício, um pequeno espaço em um circuito quântico onde os elétrons são usados ​​como qubits (ou bits quânticos), as unidades básicas de informação quântica.

O professor Andrew Dzurak da Scientia explica que, ao contrário de um átomo real, um átomo artificial não tem núcleo, mas ainda tem camadas de elétrons zunindo em torno do centro do dispositivo, em vez de em torno do núcleo do átomo.

"A ideia de criar átomos artificiais usando elétrons não é nova, na verdade, foi proposto teoricamente pela primeira vez na década de 1930 e depois demonstrado experimentalmente na década de 1990 - embora não em silício. Fizemos uma versão rudimentar dele em silício em 2013, "diz o professor Dzurak, que é ARC Laureate Fellow e também é diretor do Australian National Fabrication Facility da UNSW, onde o dispositivo de ponto quântico foi fabricado.

"Mas o que realmente nos entusiasma em nossa pesquisa mais recente é que átomos artificiais com um número maior de elétrons acabam sendo qubits muito mais robustos do que se pensava ser possível, o que significa que podem ser usados ​​de forma confiável para cálculos em computadores quânticos. Isso é significativo porque qubits baseados em apenas um elétron podem não ser confiáveis. "

Química 101

O professor Dzurak compara os diferentes tipos de átomos artificiais que sua equipe criou a uma espécie de tabela periódica para bits quânticos, o que ele diz ser adequado, visto que 2019 - quando este trabalho inovador foi realizado - foi o Ano Internacional da Tabela Periódica.

"Se você pensar em sua aula de ciências do ensino médio, você deve se lembrar de um gráfico empoeirado pendurado na parede que listava todos os elementos conhecidos na ordem de quantos elétrons eles tinham, começando com hidrogênio com um elétron, Hélio com dois, Lítio com três e assim por diante.

"Você pode até se lembrar que à medida que cada átomo fica mais pesado, com mais e mais elétrons, eles se organizam em diferentes níveis de órbita, conhecido como 'conchas'.

"Acontece que quando criamos átomos artificiais em nossos circuitos quânticos, eles também têm camadas de elétrons bem organizadas e previsíveis, assim como os átomos naturais da tabela periódica. "

Ligue os pontos

O professor Dzurak e sua equipe da Escola de Engenharia Elétrica da UNSW - incluindo o Ph.D. o estudante Ross Leon, que também é o autor principal da pesquisa, e Dr. Andre Saraiva - configurou um dispositivo quântico em silício para testar a estabilidade dos elétrons em átomos artificiais.

Eles aplicaram uma voltagem ao silício por meio de um eletrodo de 'porta' da superfície de metal para atrair elétrons sobressalentes do silício para formar o ponto quântico, um espaço infinitesimalmente pequeno de apenas cerca de 10 nanômetros de diâmetro.

"Conforme aumentamos lentamente a tensão, nós atrairíamos novos elétrons, um após o outro, para formar um átomo artificial em nosso ponto quântico, "diz o Dr. Saraiva, que conduziu a análise teórica dos resultados.

"Em um átomo real, você tem uma carga positiva no meio, sendo o núcleo, e então os elétrons carregados negativamente são mantidos em torno dele em órbitas tridimensionais. No nosso caso, ao invés do núcleo positivo, a carga positiva vem do eletrodo de porta que é separado do silício por uma barreira isolante de óxido de silício, e então os elétrons são suspensos embaixo dele, cada um orbitando em torno do centro do ponto quântico. Mas ao invés de formar uma esfera, eles são dispostos de forma plana, em um disco. "

Sr. Leon, quem executou os experimentos, diz que os pesquisadores estavam interessados ​​no que aconteceu quando um elétron extra começou a povoar uma nova camada externa. Na tabela periódica, os elementos com apenas um elétron em suas camadas externas incluem hidrogênio e os metais Lítio, Sódio e potássio.

"Quando criamos o equivalente ao hidrogênio, Lítio e sódio no ponto quântico, somos basicamente capazes de usar aquele elétron solitário na camada externa como um qubit, "Ross diz.

"Até agora, imperfeições em dispositivos de silício no nível atômico perturbaram a maneira como os qubits se comportam, levando a operação não confiável e erros. Mas parece que os elétrons extras nas camadas internas agem como um "primer" na superfície imperfeita do ponto quântico, suavizando as coisas e dando estabilidade ao elétron na camada externa. "

Observe o giro

Alcançar a estabilidade e o controle dos elétrons é um passo crucial para que os computadores quânticos baseados em silício se tornem uma realidade. Onde um computador clássico usa 'bits' de informação representados por 0 ou 1, os qubits em um computador quântico podem armazenar valores de 0 e 1 simultaneamente. Isso permite que um computador quântico realize cálculos em paralelo, em vez de um após o outro, como faria um computador convencional. O poder de processamento de dados de um computador quântico aumenta exponencialmente com o número de qubits disponíveis.

É o spin de um elétron que usamos para codificar o valor do qubit, explica o professor Dzurak.

"O spin é uma propriedade da mecânica quântica. Um elétron atua como um pequeno ímã e, dependendo de como gira, seu pólo norte pode apontar para cima ou para baixo, correspondendo a 1 ou 0.

"Quando os elétrons em um átomo real, ou nossos átomos artificiais, formam uma concha completa, eles alinham seus pólos em direções opostas de modo que o spin total do sistema seja zero, tornando-os inúteis como um qubit. Mas quando adicionamos mais um elétron para iniciar uma nova camada, esse elétron extra tem um spin que podemos usar como um qubit novamente.

"Nosso novo trabalho mostra que podemos controlar o spin dos elétrons nas camadas externas desses átomos artificiais para nos dar qubits estáveis ​​e confiáveis.

"Isso é muito importante porque significa que agora podemos trabalhar com qubits muito menos frágeis. Um elétron é uma coisa muito frágil. No entanto, um átomo artificial com 5 elétrons, ou 13 elétrons, é muito mais robusto. "

A vantagem do silício

O grupo do professor Dzurak foi o primeiro no mundo a demonstrar a lógica quântica entre dois qubits em dispositivos de silício em 2015, e também publicou um projeto para uma arquitetura de chip de computador quântico em escala real com base na tecnologia CMOS, que é a mesma tecnologia usada para fabricar todos os chips de computador modernos.

"Ao usar a tecnologia CMOS de silício, podemos reduzir significativamente o tempo de desenvolvimento de computadores quânticos com os milhões de qubits que serão necessários para resolver problemas de importância global, como o design de novos medicamentos, ou novos catalisadores químicos para reduzir o consumo de energia ", diz o professor Dzurak.

Em uma continuação desta última descoberta, o grupo vai explorar como as regras de ligação química se aplicam a esses novos átomos artificiais, para criar 'moléculas artificiais'. Eles serão usados ​​para criar portas lógicas multi-qubit aprimoradas, necessárias para a realização de um computador quântico de silício em grande escala.