Um grupo de cientistas internacionais aumentou substancialmente a duração do tempo que um qubit spin-órbita em silício pode reter informações quânticas, abrindo um novo caminho para tornar os computadores quânticos de silício mais escaláveis ​​e funcionais.

Qubits spin-órbita foram investigados por mais de uma década como uma opção para aumentar o número de qubits em um computador quântico, porque são fáceis de manipular e acoplar a longas distâncias. Contudo, eles sempre mostraram tempos de coerência muito limitados, muito curto para tecnologias quânticas.

A pesquisa publicada hoje em Materiais da Natureza mostra que longos tempos de coerência são possíveis quando o acoplamento spin-órbita é forte o suficiente. Na verdade, os cientistas demonstraram tempos de coerência 10, 000 vezes mais do que o registrado anteriormente para qubits spin-órbita, tornando-os um candidato ideal para aumentar a escala de computadores quânticos de silício.

"Viramos a sabedoria convencional de cabeça para baixo ao demonstrar tempos de coerência excepcionalmente longos - ~ 10 milissegundos - e, portanto, que os qubits de rotação-órbita podem ser notavelmente robustos, "diz UNSW Professor Sven Rogge, Investigador Chefe, Centro de Computação Quântica e Tecnologia de Comunicação (CQC2T), que liderou a equipe de pesquisa.

O acoplamento forte é a chave

O quão estável é um qubit determina por quanto tempo ele pode preservar as informações quânticas.

Em qubits de spin-órbita, as informações são armazenadas no spin do elétron e também em seu movimento - como ele "orbita" os átomos na rede do chip. É a força do acoplamento entre esses dois spins que mantém o qubit estável e menos sujeito a ser destruído por ruídos elétricos em dispositivos.

"A informação quântica na maioria dos qubits spin-órbita é extremamente frágil. Nosso qubit spin-órbita é especial porque as informações quânticas armazenadas nele são muito robustas, "diz o autor principal, Dr. Takashi Kobayashi, que realizou a pesquisa na UNSW e agora está na Tohoku University.

“As informações são armazenadas na orientação do spin e da órbita do elétron, não apenas o giro. A órbita circular do elétron carregado e o spin estão travados juntos como engrenagens devido à forte atração no acoplamento spin-órbita.

"Aumentar a força desse acoplamento spin-órbita nos permite atingir os tempos de coerência significativamente maiores que publicamos hoje."

Tempos de coerência mais longos de engenharia

Para aumentar o tempo de coerência, os pesquisadores criaram qubits spin-orbit pela introdução de impurezas, chamados átomos dopantes aceitadores, em um cristal de silício. A equipe então modificou a deformação na estrutura da rede de silício do chip para gerar diferentes níveis de acoplamento spin-órbita.

“O cristal é especial porque contém apenas o isótopo do silício sem spin nuclear. Isso elimina o ruído magnético, e porque é tensa, a sensibilidade ao ruído elétrico também é reduzida. "Diz Kobayashi.

"Nosso chip foi fixado em um material que, em baixa temperatura, estica o silício - como um elástico. Esticar a rede até a tensão correta nos permitiu ajustar o acoplamento spin-órbita para o valor ideal."

O resultado final produziu tempos de coerência acima de 10, 000 vezes mais do que o encontrado anteriormente em qubits de spin-órbita.

Isso significa que as informações quânticas são preservadas por muito mais tempo, permitindo que muito mais operações sejam realizadas - um importante trampolim para aumentar a escala de computadores quânticos.

Aumentando a escala com acoplamento spin-órbita

Para um computador quântico superar o desempenho de um computador clássico, um grande número de qubits precisam trabalhar juntos para realizar cálculos complexos.

"A estabilidade do nosso qubit spin-órbita para campos elétricos é única, provando um novo caminho robusto para fazer computadores quânticos escaláveis ​​". Diz o co-autor Joe Salfi, que realizou a pesquisa no CQC2T e agora está na University of British Columbia.

A descoberta permite, em última análise, novas maneiras de manipular qubits individuais e acoplar qubits a distâncias muito maiores, o que tornará o processo de fabricação de cavacos mais flexível.

A interação elétrica também permite o acoplamento a outros sistemas quânticos, abrindo as perspectivas de sistemas quânticos híbridos.

Pesquisa anterior publicada em Avanços da Ciência pela equipe UNSW mostrou que o acoplamento spin-órbita no silício oferece muitas vantagens para aumentar a escala para um grande número de qubits.

"Os spins em silício são muito atraentes para dispositivos de informação quântica escalonáveis ​​porque são estáveis ​​e compatíveis com as técnicas atuais de processamento de computador, tornando esses dispositivos fáceis de fabricar, "diz o Prof. Rogge.

"Agora que demonstramos longos tempos de coerência, os qubits de rotação-órbita são um forte candidato para um processador quântico de grande escala em silício. "