Pesquisas conduzidas por físicos da Universidade de Princeton estão abrindo caminho para o uso de tecnologias baseadas em silício na computação quântica, especialmente como bits quânticos – as unidades básicas dos computadores quânticos. Esta pesquisa promete acelerar o uso da tecnologia de silício como uma alternativa viável a outras tecnologias de computação quântica, como supercondutores ou íons presos.
Em pesquisa publicada na revista Science Advances , os físicos de Princeton usaram um dispositivo quântico de silício de dois qubits para alcançar um nível de fidelidade sem precedentes. Acima de 99 por cento, esta é a maior fidelidade alcançada até agora para uma porta de dois qubits em um semicondutor e está no mesmo nível dos melhores resultados alcançados por tecnologias concorrentes. A fidelidade, que é uma medida da capacidade de um qubit de realizar operações sem erros, é um recurso fundamental na busca pelo desenvolvimento de computação quântica prática e eficiente.

Pesquisadores de todo o mundo estão tentando descobrir quais tecnologias – como qubits supercondutores, íons presos ou qubits de spin de silício, por exemplo – podem ser melhor empregadas como unidades básicas da computação quântica. E, igualmente significativo, os pesquisadores estão explorando quais tecnologias terão a capacidade de escalar com mais eficiência para uso comercial.

“Os qubits de spin de silício estão ganhando força [no campo]”, disse Adam Mills, estudante de pós-graduação do Departamento de Física da Universidade de Princeton e principal autor do estudo publicado recentemente. "Parece um grande ano para o silício em geral."

Usando um dispositivo de silício chamado ponto quântico duplo, os pesquisadores de Princeton conseguiram capturar dois elétrons e forçá-los a interagir. O estado de spin de cada elétron pode ser usado como um qubit e a interação entre os elétrons pode emaranhar esses qubits. Essa operação é crucial para a computação quântica, e a equipe de pesquisa, liderada por Jason Petta, professor de física Eugene Higgins em Princeton, conseguiu realizar essa operação de emaranhamento com um nível de fidelidade superior a 99,8%.

Um qubit, em termos mais simples, é uma versão quântica de um bit de computador, que é a menor unidade de dados em um computador. Como sua contraparte clássica, o qubit é codificado com informações que podem ter o valor de um ou zero. Mas ao contrário do bit, o qubit é capaz de explorar os conceitos da mecânica quântica para que possa realizar tarefas que os bits clássicos não podem.

"Em um qubit você pode codificar zeros e uns, mas também pode ter superposições desses zeros e uns", disse Mills. Isso significa que cada qubit pode ser simultaneamente zero e um. Esse conceito, chamado superposição, é uma qualidade fundamental da mecânica quântica e que permite que os qubits façam operações que parecem incríveis e sobrenaturais. Em termos práticos, permite ao computador quântico uma vantagem maior sobre os computadores convencionais, por exemplo, fatorando números muito grandes ou isolando a solução mais ótima para um problema.

O "spin" em qubits de spin é o momento angular do elétron. É uma propriedade quântica que se manifesta como um dipolo magnético minúsculo que pode ser usado para codificar informações. Um análogo clássico é uma agulha de bússola, que tem pólos norte e sul e gira para se alinhar com o campo magnético da Terra. Mecanicamente quântica, o spin do elétron pode se alinhar com o campo magnético gerado no laboratório (spin-up), ou ser orientado antiparalelo ao campo (spin-down), ou estar em uma superposição quântica de spin-up e spin-down. Spin é a propriedade do elétron aproveitado em dispositivos quânticos baseados em silício; os computadores convencionais, por outro lado, funcionam manipulando a carga negativa de um elétron.

Mills afirmou que, em geral, os qubits de spin de silício têm vantagens sobre outros tipos de qubit. "A ideia é que todo sistema terá que ser dimensionado para muitos qubits", disse ele. "E agora, os outros sistemas qubit têm limitações físicas reais para escalabilidade. O tamanho pode ser um problema real com esses sistemas. Há muito espaço em que você pode colocar essas coisas."

Em comparação, os qubits de spin de silício são feitos de elétrons únicos e são extremamente pequenos.

“Nossos dispositivos têm apenas cerca de 100 nanômetros de diâmetro, enquanto um qubit supercondutor convencional tem mais de 300 mícrons de diâmetro, então se você quiser fazer muitos em um chip, será difícil usar uma abordagem supercondutora”, disse Petta.

A outra vantagem dos qubits de spin de silício, acrescentou Petta, é que a eletrônica convencional hoje é baseada na tecnologia de silício. "Nosso sentimento é que, se você realmente quiser fazer um milhão ou dez milhões de qubits que serão necessários para fazer algo prático, isso só acontecerá em um sistema de estado sólido que pode ser dimensionado usando a indústria de fabricação de semicondutores padrão. "

Ainda assim, operar qubits de spin – como outros tipos de qubits – com alta fidelidade tem sido um desafio para os pesquisadores.

"Um dos gargalos para a tecnologia de spin qubits é que a fidelidade do portão de dois qubits até muito recentemente não era tão alta", disse Petta. "Está bem abaixo de 90% na maioria dos experimentos."

Mas era um desafio que Petta e Mills e a equipe de pesquisa acreditavam que poderia ser alcançado.

Para realizar o experimento, os pesquisadores primeiro tiveram que capturar um único elétron – uma tarefa nada fácil.

"Estamos prendendo um único elétron, uma partícula muito pequena, e precisamos colocá-lo em uma região específica do espaço e depois fazê-lo dançar", disse Petta.

Para fazer isso, Mills, Petta e seus colegas precisaram construir uma "gaiola". Isso tomou a forma de um semicondutor fino feito principalmente de silício. No topo disso, a equipe modelou pequenos eletrodos, que criam o potencial eletrostático usado para encurralar o elétron. Duas dessas gaiolas juntas, separadas por uma barreira, ou portão, constituíam o ponto quântico duplo.

"We have two spins sitting in adjacent sites next to each other," said Petta. "By adjusting the voltage on these gates, we can momentarily push the electrons together and cause them to interact. This is called a two-qubit gate."

The interaction causes each spin qubit to evolve according to the state of its neighboring spin qubits, which leads to entanglement in quantum systems. The researchers were able to perform this two-qubit interaction with a fidelity exceeding 99 percent. To date, this is the highest fidelity for a two-qubit gate that has thus far been achieved in spin qubits.

Petta said that the results of this experiment place this technology—silicon spin qubits—on an equal footing with the best results achieved by the other major competing technologies. "This technology is on a strongly increasing slope," he said, "and I think it's just a matter of time before it overtakes the superconducting systems."

"Another important aspect of this paper," Petta added, "is that it's not just a demonstration of a high fidelity two-qubit gate, but this device does it all. This is the first demonstration of a semiconductor spin qubit system where we have integrated performance of the entire system—the state preparation, the read out, the single qubit control, the two-qubit control—all with performance metrics that exceed the threshold you need to make a larger-scale system work."

In addition to Mills and Petta, the work also included the efforts of Princeton graduate students Charles Guinn and Mayer Feldman, as well as University of Pennsylvania assistant professor of electrical engineering Anthony Sigillito. Also contributing to the paper and research were Michael Gullans, Department of Physics, Princeton University and the Center for Quantum Information and Computer Science at NIST/University of Maryland, and Erik Nielsen of the Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico. + Explorar mais

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