Qubits são os blocos de construção dos computadores quânticos, que têm o potencial de revolucionar muitos campos de pesquisa, resolvendo problemas que os computadores clássicos não conseguem.
Mas criar qubits que tenham a qualidade perfeita necessária para a computação quântica pode ser um desafio.

Pesquisadores da Universidade de Wisconsin-Madison, HRL Laboratories LLC e da Universidade de New South Wales (UNSW) colaboraram em um projeto para controlar melhor os qubits de pontos quânticos de silício, permitindo fabricação de alta qualidade e uso em aplicações mais amplas. Todas as três instituições são afiliadas à Chicago Quantum Exchange. O trabalho foi publicado em Cartas de Revisão Física , e o autor principal, J. P. Dodson, fez recentemente a transição da UW–Madison para a HRL.

“Consistência é o que buscamos aqui”, diz Mark Friesen, Cientista Distinto de Física da UW-Madison e autor do artigo. “Nossa afirmação é que há esperança de criar uma matriz muito uniforme de pontos que podem ser usados ​​como qubits”.

Estados quânticos sensíveis

Enquanto os bits de computador clássicos usam circuitos elétricos para representar dois valores possíveis (0 e 1), os qubits usam dois estados quânticos para representar 0 e 1, o que lhes permite aproveitar fenômenos quânticos como a superposição para fazer cálculos poderosos.

Qubits podem ser construídos de diferentes maneiras. Uma maneira de construir um qubit é fabricando um ponto quântico, ou uma gaiola muito, muito pequena para elétrons, formada dentro de um cristal de silício. Ao contrário dos qubits feitos de átomos únicos, que são todos naturalmente idênticos, os qubits de pontos quânticos são feitos pelo homem – permitindo que os pesquisadores os personalizem para diferentes aplicações.

Mas uma chave comum nas engrenagens metafóricas desses qubits de silício é a competição entre diferentes tipos de estados quânticos. A maioria dos qubits usa "estados de spin" para representar 0 e 1, que dependem de uma propriedade quântica exclusiva chamada spin. Mas se o qubit tiver outros tipos de estados quânticos com energias semelhantes, esses outros estados podem interferir, dificultando o uso efetivo do qubit pelos cientistas.

Nos pontos quânticos de silício, os estados que mais frequentemente competem com os necessários para a computação são os "estados de vale", nomeados por suas localizações em um gráfico de energia - eles existem nos "vales" do gráfico.

Para ter o qubit de ponto quântico mais eficaz, os estados de vale do ponto devem ser controlados de modo que não interfiram nos estados de spin que transportam informações quânticas. Mas os estados do vale são extremamente sensíveis; os pontos quânticos ficam em uma superfície plana, e se houver pelo menos um átomo extra na superfície abaixo do ponto quântico, as energias dos estados do vale mudam.

Os autores do estudo dizem que esses tipos de defeitos de átomo único são praticamente “inevitáveis”, então eles encontraram uma maneira de controlar os estados do vale mesmo na presença de defeitos. Ao manipular a voltagem através do ponto, os pesquisadores descobriram que poderiam mover fisicamente o ponto ao redor da superfície em que ele está.

"As voltagens da porta permitem que você mova o ponto pela interface em alguns nanômetros e, ao fazer isso, você altera sua posição em relação às características de escala atômica", diz Mark Eriksson, professor John Bardeen e presidente da UW -Departamento de física Madison, que trabalhou no projeto. "Isso muda as energias dos estados do vale de maneira controlável."

"A mensagem para levar para casa deste artigo", diz ele, "é que as energias dos estados do vale não são determinadas para sempre uma vez que você faz um ponto quântico. Podemos ajustá-los, e isso nos permite fazer qubits melhores que vão criar melhores computadores quânticos."

Aproveitando a experiência acadêmica e do setor

Os materiais hospedeiros para os pontos quânticos são "cultivados" com composição de camada precisa. O processo é extremamente técnico, e Friesen observa que Lisa Edge, da HRL Laboratories, é uma especialista mundial.

"São necessárias muitas décadas de conhecimento para que esses dispositivos possam crescer adequadamente", diz Friesen. "Temos vários anos de colaboração com a HRL, e eles são muito bons em disponibilizar materiais de alta qualidade para nós."

O trabalho também se beneficiou do conhecimento de Susan Coppersmith, uma teórica anteriormente na UW-Madison que se mudou para a UNSW em 2018. Eriksson diz que a natureza colaborativa da pesquisa foi crucial para seu sucesso.

"Este trabalho, que nos dá muito conhecimento novo sobre como controlar precisamente esses qubits, não poderia ter sido feito sem nossos parceiros da HRL e da UNSW", diz Eriksson. “Há um forte senso de comunidade na ciência e tecnologia quântica, e isso está realmente impulsionando o campo”. + Explorar mais

Pesquisadores demonstram correção de erros em um sistema qubit de silício