Computador quântico:um dos obstáculos para o progresso na busca por um computador quântico funcional é que os dispositivos funcionais que entram em um computador quântico e realizam os cálculos reais, os qubits, têm sido feitos até agora por universidades e em pequeno número. Mas nos últimos anos, uma colaboração pan-europeia, em parceria com o líder francês em microeletrônica CEA-Leti, vem explorando transistores do dia-a-dia - que estão presentes em bilhões em todos os nossos telefones celulares - para seu uso como qubits. A empresa francesa Leti fabrica wafers gigantes cheios de dispositivos, e, depois de medir, pesquisadores do Instituto Niels Bohr, Universidade de Copenhague, descobriram que esses dispositivos produzidos industrialmente são adequados como uma plataforma qubit capaz de se mover para a segunda dimensão, um passo significativo para um computador quântico funcional. O resultado agora está publicado em Nature Communications .

Pontos quânticos em matriz bidimensional é um salto à frente

Uma das principais características dos dispositivos é a matriz bidimensional de pontos quânticos. Ou mais precisamente, uma rede dois por dois de pontos quânticos. "O que mostramos é que podemos realizar o controle de um único elétron em cada um desses pontos quânticos. Isso é muito importante para o desenvolvimento de um qubit, porque uma das maneiras possíveis de fazer qubits é usar o spin de um único elétron. Portanto, atingir esse objetivo de controlar os elétrons individuais e fazê-lo em uma matriz 2-D de pontos quânticos foi muito importante para nós ", diz Fabio Ansaloni, ex-Ph.D. aluna, agora pós-doutorado no centro de Dispositivos Quantum, NBI.

O uso de spins de elétrons tem se mostrado vantajoso para a implementação de qubits. Na verdade, sua natureza "tranquila" faz com que os spins interajam fracamente com o ambiente barulhento, um requisito importante para obter qubits de alto desempenho.

Estender processadores de computadores quânticos para a segunda dimensão provou ser essencial para uma implementação mais eficiente de rotinas de correção de erros quânticos. A correção de erros quânticos permitirá que futuros computadores quânticos sejam tolerantes a falhas contra falhas qubit individuais durante os cálculos.

A importância da produção em escala industrial

Professor assistente no Center for Quantum Devices, NBI, Anasua Chatterjee acrescenta:"A ideia original era fazer uma série de qubits de spin, reduza-se a um único elétron e torne-se capaz de controlá-los e movê-los. Nesse sentido, é muito bom que Leti tenha conseguido entregar as amostras que usamos, o que, por sua vez, tornou possível atingirmos esse resultado. Muito crédito vai para o consórcio de projetos pan-europeu, e financiamento generoso da UE, ajudando-nos a mover-se lentamente do nível de um único ponto quântico com um único elétron para ter dois elétrons, e agora passando para as matrizes bidimensionais. Matrizes bidimensionais são um grande objetivo, porque isso está começando a parecer algo de que você absolutamente precisa para construir um computador quântico. Leti esteve envolvida com uma série de projetos ao longo dos anos, que contribuíram para este resultado. "

O crédito por chegar tão longe pertence a muitos projetos em toda a Europa

O desenvolvimento foi gradual. Em 2015, pesquisadores em Grenoble conseguiram fazer o primeiro spin qubit, mas isso foi baseado em buracos, não elétrons. Naquela época, o desempenho dos dispositivos feitos no "regime de buraco" não era ideal, e a tecnologia avançou para que os dispositivos agora no NBI possam ter matrizes bidimensionais no regime de elétron único. O progresso é triplo, os pesquisadores explicam:"Primeiro, produzir os dispositivos em uma fundição industrial é uma necessidade. A escalabilidade de um moderno, processo industrial é essencial quando começamos a fazer matrizes maiores, por exemplo, para pequenos simuladores quânticos. Segundo, ao fazer um computador quântico, você precisa de uma matriz em duas dimensões, e você precisa de uma maneira de conectar o mundo externo a cada qubit. Se você tiver 4-5 conexões para cada qubit, você rapidamente acaba com um número irreal de fios saindo da configuração de baixa temperatura. Mas o que conseguimos mostrar é que podemos ter um portão por elétron, e você pode ler e controlar com o mesmo portão. E por fim, usando essas ferramentas, fomos capazes de mover e trocar elétrons únicos de forma controlada ao redor da matriz, um desafio em si. "

Matrizes bidimensionais podem controlar erros

O controle de erros que ocorrem nos dispositivos é um capítulo à parte. Os computadores que usamos hoje produzem muitos erros, mas eles são corrigidos por meio do que é chamado de código de repetição. Em um computador convencional, você pode ter informações em 0 ou 1. Para ter certeza de que o resultado de um cálculo está correto, o computador repete o cálculo e se um transistor comete um erro, é corrigido por maioria simples. Se a maioria dos cálculos realizados em outros transistores apontar para 1 e não para 0, então 1 é escolhido como resultado. Isso não é possível em um computador quântico, pois você não pode fazer uma cópia exata de um qubit, então a correção de erros quânticos funciona de outra maneira:qubits físicos de última geração ainda não têm baixa taxa de erro, mas se um número suficiente deles for combinado na matriz 2-D, eles podem manter um ao outro sob controle, por assim dizer. Esta é outra vantagem do array 2-D agora realizado.

A próxima etapa deste marco

O resultado realizado no Instituto Niels Bohr mostra que agora é possível controlar elétrons individuais, e realizar o experimento na ausência de um campo magnético. Portanto, a próxima etapa será procurar spins - assinaturas de spin - na presença de um campo magnético. Isso será essencial para implementar portas de qubit simples e duas entre os qubits únicos no array. A teoria mostrou que um punhado de portas simples e duas portas qubit, chamado de conjunto completo de portas quânticas, são suficientes para permitir a computação quântica universal.