Bits quânticos agora são mais fáceis de manipular para dispositivos de computação quântica, graças à interação spin-órbita aprimorada no silício.

Um chip de computador quântico de silício tem o potencial de armazenar milhões de bits quânticos, ou qubits, para um processamento de informações muito mais rápido do que com os bits dos computadores de hoje. Isso se traduz em pesquisas de banco de dados de alta velocidade, melhor segurança cibernética e simulação altamente eficiente de materiais e processos químicos.

Agora, grupos de pesquisa da Purdue University, a Universidade Tecnológica de Delft, A Holanda e a Universidade de Wisconsin-Madison descobriram que o silício tem interações spin-órbita únicas que podem permitir a manipulação de qubits usando campos elétricos, sem a necessidade de quaisquer agentes artificiais.

"Qubits codificados nos spins dos elétrons têm vida especialmente longa no silício, mas são difíceis de controlar por campos elétricos. A interação spin-órbita é um botão importante para o projeto de qubits que se pensava serem pequenos neste material, tradicionalmente, "disse Rajib Rahman, professor assistente de pesquisa na Escola de Engenharia Elétrica e de Computação de Purdue.

A força da interação spin-órbita, que é a interação do spin de um elétron com seu movimento, é um fator importante para a qualidade de um qubit. Os pesquisadores descobriram uma interação spin-órbita mais proeminente do que o normal na superfície do silício, onde os qubits estão localizados na forma dos chamados pontos quânticos - elétrons confinados em três dimensões. O laboratório de Rahman identificou que essa interação spin-órbita é anisotrópica por natureza - o que significa que é dependente do ângulo de um campo magnético externo - e fortemente afetada por detalhes atômicos da superfície.

"Esta anisotropia pode ser empregada para aumentar ou minimizar a força da interação spin-órbita, "disse Rifat Ferdous, autor principal deste trabalho e assistente de pesquisa de pós-graduação da Purdue em engenharia elétrica e da computação. A interação spin-órbita afeta então os qubits.

"Se houver uma forte interação spin-órbita, a vida útil do qubit é mais curta, mas você pode manipulá-lo mais facilmente. O oposto acontece com uma interação spin-órbita fraca:a vida útil do qubit é mais longa, mas a manipulação é mais difícil, "Disse Rahman.

Os pesquisadores publicaram suas descobertas em 5 de junho na Nature Partner Journals — Quantum Information. A equipe de Wisconsin-Madison fabricou o dispositivo de silício, a equipe de Delft realizou os experimentos e a equipe de Purdue conduziu a investigação teórica das observações experimentais. Este trabalho é apoiado pelo Gabinete de Pesquisa do Exército, Departamento de Energia dos EUA, a National Science Foundation e o European Research Council.

Os próximos trabalhos no laboratório de Rahman se concentrarão em tirar proveito da natureza anisotrópica das interações spin-órbita para aumentar ainda mais a coerência e o controle dos qubits, e, Portanto, o aumento de escala de chips de computador quânticos.