Os computadores quânticos têm o potencial de transformar campos como a medicina, segurança cibernética e inteligência artificial, resolvendo problemas de otimização difíceis que estão além do alcance do hardware de computação convencional.

Mas a tecnologia para fabricar os aparelhos em grande escala ainda não existe.

Pesquisadores da Universidade do Texas em Dallas desenvolveram uma técnica que pode eliminar um dos desafios de dimensionar a produção de dispositivos quânticos de silício. Os pesquisadores delinearam seu método, que proporciona maior controle e precisão durante o processo de fabricação, em um estudo publicado online em 28 de maio e na edição impressa de julho do Journal of Vacuum Science &Technology B . O silício é o material preferido para a base de dispositivos quânticos devido à sua compatibilidade com a tecnologia de semicondutor convencional.

O autor correspondente do estudo, Dr. Reza Moheimani, o James Von Ehr Distinguished Chair em Ciência e Tecnologia e um professor de engenharia de sistemas na Escola de Engenharia e Ciência da Computação Erik Jonsson, recebeu um subsídio de US $ 2,4 milhões do Departamento de Energia dos EUA em 2019 para desenvolver tecnologia para fabricação de precisão atômica, o processo de construção de novos materiais e dispositivos átomo por átomo.

A equipe de Moheimani está enfrentando uma série de desafios para a fabricação de dispositivos quânticos.

“Nosso trabalho mais recente aumenta a precisão do processo de fabricação, "Moheimani disse." Também estamos trabalhando para aumentar o rendimento, velocidade e confiabilidade. "

O método dos pesquisadores para construir um qubit à base de silício, ou bit quântico, a unidade básica de informação em um computador quântico, começa com uma superfície de silício atomicamente plana revestida com uma camada de hidrogênio, o que impede que outros átomos ou moléculas sejam absorvidos pela superfície. Próximo, pesquisadores usam um microscópio de tunelamento de varredura (STM), que apresenta uma sonda com uma ponta atomicamente afiada, funcionando como um braço micro-robótico, para remover átomos de hidrogênio seletivamente da superfície. O STM foi projetado para criar imagens de características atômicas em uma superfície, Contudo, os pesquisadores também usam o dispositivo para manipular átomos em um modo chamado litografia de desassivação de hidrogênio (HDL).

O processo meticuloso envolve o posicionamento da ponta sobre um átomo de hidrogênio, adicionar um sinal de alta frequência à tensão de polarização da amostra da ponta e aumentar a amplitude do sinal de alta frequência até que o átomo de hidrogênio se separe da superfície, revelando silício por baixo. Depois que um número predeterminado de átomos de hidrogênio são removidos seletivamente da superfície, o gás fosfina é introduzido no meio ambiente e após um processo específico, átomos de fósforo são adsorvidos à superfície, onde cada um funciona como um qubit.

O problema com o HDL convencional é que pode ser fácil para o operador extrair o átomo errado de hidrogênio, resultando na criação de qubits em locais indesejados. Usar o STM para HDL requer uma voltagem mais alta do que para imagens, o que muitas vezes faz com que a ponta bata na amostra de superfície, forçando o operador a recomeçar.

Os pesquisadores estavam trabalhando em sua solução para o problema da queda da ponta do STM quando descobriram um método mais preciso para manipular os átomos da superfície.

"A litografia convencional não consegue atingir a precisão atômica necessária, "Moheimani disse." O problema é que estamos usando um microscópio para fazer litografia; estamos usando um dispositivo para fazer algo para o qual ele não foi projetado. "

Os pesquisadores descobriram que poderiam alcançar maior precisão realizando HDL no modo de imagem, em vez do modo de litografia convencional, com alguns ajustes na tensão e uma mudança no sistema de controle de feedback do STM.

"Percebemos que poderíamos realmente usar esse método para remover átomos de hidrogênio de forma controlada, "Moheimani disse." Isso foi uma surpresa. É uma daquelas coisas que acontece durante os experimentos, e você tenta explicar e tirar vantagem disso. "

Os computadores quânticos devem ser capazes de armazenar mais informações do que os computadores atuais. Transistores atuais, que retransmitem informações, não pode ser menor, disse Hamed Alemansour, estudante de doutorado em engenharia mecânica e principal autor do estudo.

"O tipo de tecnologia que é usada agora para fazer transistores atingiu seu limite. É difícil diminuir mais o tamanho por meio de métodos convencionais, "Alemansour disse.

Enquanto um computador convencional usa os valores precisos de 1s e 0s para fazer cálculos, as unidades lógicas fundamentais de um computador quântico são mais fluidas, com valores que podem existir como uma combinação de 1s e 0s ao mesmo tempo ou em qualquer lugar entre eles. O fato de que um qubit pode representar dois números ao mesmo tempo permite que o computador quântico processe informações muito mais rápido.

Um dos próximos desafios, Moheimani disse, será desenvolver tecnologia para operar várias pontas STM ao mesmo tempo.

"E se pudéssemos usar 10 ou 100 pontas em paralelo umas com as outras para fazer a mesma litografia multiplicada por 100 vezes? E se pudéssemos fazer 10 vezes mais rápido? Se pudermos fabricar 100 qubits 10 vezes mais rápido, somos 1, 000 vezes melhor já, "Moheimani disse.