Os pesquisadores do MIT desenvolveram um processo para fabricar e integrar "átomos artificiais, "criado por defeitos em escala atômica em fatias microscopicamente finas de diamante, com circuitos fotônicos, produzindo o maior chip quântico de seu tipo.

A conquista "marca um ponto de viragem" no campo dos processadores quânticos escaláveis, diz Dirk Englund, professor associado do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação do MIT. Milhões de processadores quânticos serão necessários para construir computadores quânticos, e a nova pesquisa demonstra uma maneira viável de aumentar a produção do processador, ele e sua nota de colegas.

Ao contrário dos computadores clássicos, que processam e armazenam informações usando bits representados por 0s e 1s, computadores quânticos operam usando bits quânticos, ou qubits, que pode representar 0, 1, Ou os dois ao mesmo tempo. Esta estranha propriedade permite que os computadores quânticos realizem simultaneamente vários cálculos, resolver problemas que seriam intratáveis ​​para computadores clássicos.

Os qubits no novo chip são átomos artificiais feitos de defeitos no diamante, que pode ser estimulado com luz visível e microondas para emitir fótons que carregam informações quânticas. O processo, que Englund e sua equipe descrevem em Natureza , é uma abordagem híbrida, em que "micro chiplets quânticos" cuidadosamente selecionados contendo múltiplos qubits baseados em diamante são colocados em um circuito integrado fotônico de nitreto de alumínio.

"Nos últimos 20 anos de engenharia quântica, tem sido a visão definitiva fabricar esses sistemas qubit artificiais em volumes comparáveis ​​aos da eletrônica integrada, "Englund diz." Embora tenha havido um progresso notável nesta área muito ativa de pesquisa, as complicações de fabricação e materiais produziram até agora apenas dois a três emissores por sistema fotônico. "

Usando seu método híbrido, Englund e seus colegas foram capazes de construir um sistema de 128 qubit - o maior chip átomo-fotônico artificial integrado até então.

Controle de qualidade para chips

Os átomos artificiais nos chips consistem em centros de cores em diamantes, defeitos na rede de carbono do diamante, onde átomos de carbono adjacentes estão faltando, com seus espaços preenchidos por um elemento diferente ou vazios. Nos chips do MIT, os elementos de substituição são germânio e silício. Cada centro funciona como um emissor semelhante a um átomo, cujos estados de spin podem formar um qubit. Os átomos artificiais emitem partículas coloridas de luz, ou fótons, que carregam a informação quântica representada pelo qubit.

Os centros de cores de diamante são bons qubits de estado sólido, mas "o gargalo dessa plataforma é, na verdade, construir uma arquitetura de sistema e dispositivo que pode escalar para milhares e milhões de qubits, "Wan explica." Os átomos artificiais estão em um cristal sólido, e a contaminação indesejada pode afetar propriedades quânticas importantes, como tempos de coerência. Além disso, variações dentro do cristal podem fazer com que os qubits sejam diferentes uns dos outros, e isso torna difícil dimensionar esses sistemas. "

Em vez de tentar construir um grande chip quântico inteiramente em diamante, os pesquisadores decidiram adotar uma abordagem modular e híbrida. "Usamos técnicas de fabricação de semicondutores para fazer esses pequenos chips de diamante, do qual selecionamos apenas os módulos qubit da mais alta qualidade, "diz Wan." Em seguida, integramos esses chips peça por peça em outro chip que 'liga' os chips em um dispositivo maior. "

A integração ocorre em um circuito integrado fotônico, que é análogo a um circuito integrado eletrônico, mas usa fótons em vez de elétrons para transportar informações. A fotônica fornece a arquitetura subjacente para rotear e alternar fótons entre módulos no circuito com baixa perda. A plataforma do circuito é de nitreto de alumínio, em vez do silício tradicional de alguns circuitos integrados.

Usando esta abordagem híbrida de circuitos fotônicos e chips de diamante, os pesquisadores foram capazes de conectar 128 qubits em uma plataforma. Os qubits são estáveis ​​e de longa duração, e suas emissões podem ser ajustadas dentro do circuito para produzir fótons espectralmente indistinguíveis, de acordo com Wan e colegas.

Uma abordagem modular

Embora a plataforma ofereça um processo escalonável para produzir chips fotônicos atômicos artificiais, a próxima etapa será "ligá-lo, " por assim dizer, para testar suas habilidades de processamento.

"Esta é uma prova de conceito de que os emissores de qubit de estado sólido são tecnologias quânticas muito escaláveis, "diz Wan." Para processar informações quânticas, o próximo passo seria controlar esses grandes números de qubits e também induzir as interações entre eles. "

Os qubits nesse tipo de design de chip não teriam necessariamente que ser esses centros de cores de diamante em particular. Outros designers de chips podem escolher outros tipos de centros de cores de diamante, defeitos atômicos em outros cristais semicondutores, como carboneto de silício, certos pontos quânticos semicondutores, ou íons de terras raras em cristais. "Como a técnica de integração é híbrida e modular, podemos escolher o melhor material adequado para cada componente, em vez de depender de propriedades naturais de apenas um material, permitindo-nos combinar as melhores propriedades de cada material distinto em um sistema, "diz o Lu.

Encontrar uma maneira de automatizar o processo e demonstrar maior integração com componentes optoeletrônicos, como moduladores e detectores, será necessário para construir chips ainda maiores necessários para computadores quânticos modulares e repetidores quânticos multicanal que transportam qubits por longas distâncias, dizem os pesquisadores.

Outros autores no Natureza papel inclui pesquisadores do MIT Noel H. Wan, Tsung-Ju Lu, Kevin C. Chen, Michael P. Walsh, Matthew E. Trusheim, Lorenzo De Santis, Eric A. Bersin, Isaac B. Harris, Sara L. Mouradian e Ian R. Christen; com Edward S. Bielejec no Sandia National Laboratories.