Pesquisadores das Universidades de Melbourne e Manchester inventaram uma técnica inovadora para a fabricação de silício altamente purificado que aproxima os poderosos computadores quânticos.



A nova técnica para projetar silício ultrapuro torna-o o material perfeito para fabricar computadores quânticos em escala e com alta precisão, dizem os pesquisadores.

O co-orientador do projeto, Professor David Jamieson, da Universidade de Melbourne, disse que a inovação, publicada em Communications Materials , usa qubits de átomos de fósforo implantados em cristais de silício puro e estável e pode superar uma barreira crítica para a computação quântica, estendendo a duração da coerência quântica notoriamente frágil.

"A coerência quântica frágil significa que os erros de computação se acumulam rapidamente. Com a coerência robusta fornecida por nossa nova técnica, os computadores quânticos poderiam resolver em horas ou minutos alguns problemas que levariam séculos para computadores convencionais ou 'clássicos' - até mesmo supercomputadores", "professor Jamieson disse.

Bits quânticos ou qubits – os blocos de construção dos computadores quânticos – são suscetíveis a pequenas mudanças em seu ambiente, incluindo flutuações de temperatura. Mesmo quando operados em refrigeradores tranquilos perto do zero absoluto (273 graus Celsius negativos), os computadores quânticos atuais podem manter uma coerência livre de erros por apenas uma pequena fração de segundo.

O co-orientador da Universidade de Manchester, professor Richard Curry, disse que o silício ultrapuro permitiu a construção de dispositivos qubit de alto desempenho – um componente crítico necessário para preparar o caminho para computadores quânticos escaláveis.

"O que conseguimos fazer foi criar efetivamente um 'tijolo' crítico necessário para construir um computador quântico baseado em silício. É um passo crucial para criar uma tecnologia que tem o potencial de ser transformadora para a humanidade", disse o professor Curry.

O autor principal, Ravi Acharya, bolsista conjunto da Universidade de Manchester / Universidade de Melbourne Cookson, disse que a grande vantagem da computação quântica de chips de silício é que ela usa as mesmas técnicas essenciais que fabricam os chips usados ​​nos computadores atuais.

"Os chips eletrônicos atualmente em um computador comum consistem em bilhões de transistores - eles também podem ser usados ​​para criar qubits para dispositivos quânticos baseados em silício. A capacidade de criar qubits de silício de alta qualidade foi em parte limitada até o momento pela pureza do silício. material inicial usado. A pureza inovadora que mostramos aqui resolve esse problema."

O professor Jamieson disse que os novos chips de computador de silício altamente purificados abrigam e protegem os qubits para que possam sustentar a coerência quântica por muito mais tempo, permitindo cálculos complexos com necessidade bastante reduzida de correção de erros.

“Nossa técnica abre caminho para computadores quânticos confiáveis ​​que prometem mudanças radicais em toda a sociedade, inclusive em inteligência artificial, dados e comunicações seguras, design de vacinas e medicamentos e uso de energia, logística e fabricação”, disse ele.

O silício – feito a partir da areia da praia – é o material-chave para a atual indústria de tecnologia da informação porque é um semicondutor abundante e versátil:pode atuar como condutor ou isolante de corrente elétrica, dependendo de quais outros elementos químicos lhe são adicionados.

“Outros estão experimentando alternativas, mas acreditamos que o silício é o principal candidato para chips de computador quântico que permitirão a coerência duradoura necessária para cálculos quânticos confiáveis”, disse o professor Jamieson.

"O problema é que, embora o silício que ocorre naturalmente seja principalmente o desejável isótopo silício-28, há também cerca de 4,5% de silício-29. O silício-29 tem um nêutron extra no núcleo de cada átomo que atua como um minúsculo ímã desonesto, destruindo a coerência quântica e criando erros de computação", disse ele.

Os pesquisadores direcionaram um feixe focado e de alta velocidade de silício-28 puro em um chip de silício, de modo que o silício-28 substituiu gradualmente os átomos de silício-29 no chip, reduzindo o silício-29 de 4,5% para duas partes por milhão (0,0002 por cento). ).

"A grande notícia é purificar o silício a este nível, agora podemos usar uma máquina padrão - um implantador de íons - que você encontraria em qualquer laboratório de fabricação de semicondutores, sintonizado com uma configuração específica que projetamos", disse o professor Jamieson.

Em uma pesquisa publicada anteriormente com o Centro de Excelência ARC para Computação Quântica e Tecnologia de Comunicação, a Universidade de Melbourne estabeleceu – e ainda mantém – o recorde mundial de coerência de qubit único de 30 segundos usando silício menos purificado. Trinta segundos é tempo suficiente para concluir cálculos quânticos complexos e sem erros.

O professor Jamieson disse que os maiores computadores quânticos existentes tinham mais de 1.000 qubits, mas erros ocorreram em milissegundos devido à perda de coerência.

"Agora que podemos produzir silício-28 extremamente puro, nosso próximo passo será demonstrar que podemos sustentar a coerência quântica para muitos qubits simultaneamente. Um computador quântico confiável com apenas 30 qubits excederia o poder dos supercomputadores atuais para algumas aplicações." ele disse.

Um relatório de 2020 do CSIRO da Austrália estimou que a computação quântica na Austrália tem potencial para criar 10.000 empregos e US$ 2,5 bilhões em receitas anuais até 2040.

"Nossa pesquisa nos leva significativamente mais perto de concretizar esse potencial", disse o professor Jamieson.

Mais informações: Silício altamente enriquecido com 28Si por implantação localizada de feixe de íons focado, Materiais de Comunicação (2024). DOI:10.1038/s43246-024-00498-0
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