Engenheiros de computação quântica da UNSW Sydney mostraram que podem codificar informações quânticas – os dados especiais em um computador quântico – de quatro maneiras únicas dentro de um único átomo, dentro de um chip de silício.



A façanha poderia aliviar alguns dos desafios de operação de dezenas de milhões de unidades de computação quântica em apenas alguns milímetros quadrados de um chip de computador quântico de silício.

Em artigo publicado na Nature Communications , os engenheiros descrevem como usaram os 16 'estados' quânticos de um átomo de antimônio para codificar informações quânticas.

O antimônio é um átomo pesado que pode ser implantado em um chip de silício, substituindo um dos átomos de silício existentes. Foi escolhido porque seu núcleo possui oito estados quânticos distintos, além de um elétron com dois estados quânticos, resultando em um total de 8 x 2 =16 estados quânticos, todos dentro de apenas um átomo. Alcançar o mesmo número de estados usando bits quânticos simples – ou qubits, a unidade básica de informação quântica – exigiria a fabricação e o acoplamento de quatro deles.

A autora principal, Irene Fernandez de Fuentes, diz que a equipe, sob a orientação da professora Andrea Morello da Scientia, baseou-se no trabalho de mais de uma década que estabeleceu diferentes métodos de controle quântico para mostrar que todos eram possíveis dentro do mesmo átomo. O átomo de antimônio foi implantado no chip por colegas da Universidade de Melbourne, usando instalações dos Aceleradores de Íons Pesados ​​da Universidade Nacional Australiana.

“Primeiro, mostramos que poderíamos controlar o elétron do antimônio com um campo magnético oscilante, semelhante à descoberta de 2012, que foi a primeira vez que um qubit foi demonstrado em silício”, diz ela.

"A seguir mostramos que poderíamos usar um campo magnético para manipular o spin do núcleo do antimônio. Este é o método padrão de ressonância magnética, usado, por exemplo, em máquinas de ressonância magnética em hospitais. O terceiro método era controlar o núcleo do átomo de antimônio com um campo elétrico, algo que foi descoberto por acaso em 2020.

“E a quarta maneira era controlar tanto o núcleo de antimônio quanto o elétron em oposição um ao outro, usando um campo elétrico usando os chamados qubits flip-flop, o que foi demonstrado por esta equipe no ano passado.

"Este último experimento mostra que todos esses quatro métodos podem ser usados ​​no mesmo chip de silício usando a mesma arquitetura."

A vantagem de ter quatro métodos diferentes é que cada método dá aos engenheiros de computação e físicos mais flexibilidade ao projetar futuros chips de computação quântica.

Por exemplo, a ressonância magnética é mais rápida que a ressonância eléctrica, mas o campo magnético espalha-se amplamente no espaço, pelo que também pode afectar átomos vizinhos. A ressonância elétrica, embora mais lenta, pode ser aplicada localmente para selecionar um átomo específico sem afetar nenhum de seus vizinhos.

“Com este grande átomo de antimônio, temos total flexibilidade de como integrá-lo a uma estrutura de controle sobre um chip de silício”, diz o professor Morello.

Por que isso é importante

Os computadores quânticos do futuro terão milhões, senão milhares de milhões de qubits a trabalhar simultaneamente para processar números e simular modelos em minutos que os supercomputadores de hoje levariam centenas ou mesmo milhares de anos para serem concluídos.

Embora algumas equipes ao redor do mundo tenham feito progressos com um grande número de qubits, como o modelo de 70 qubits do Google ou a versão da IBM que tem mais de 1.000, eles exigem espaços muito maiores para que seus qubits funcionem sem interferir uns nos outros.

Mas a abordagem que o professor Morello e outros colegas adotaram na UNSW é projetar a computação quântica usando tecnologia já em uso para fabricar computadores convencionais. Embora o progresso possa ser mais lento em termos de número de qubits funcionais, a vantagem de usar silício significará ser capaz de ter milhões de qubits em um milímetro quadrado de chip.

“Estamos investindo em uma tecnologia mais difícil, mais lenta, mas por bons motivos, um deles é a extrema densidade de informações que será capaz de lidar”, afirma o professor Morello.

"É muito bom ter 25 milhões de átomos em um milímetro quadrado, mas é preciso controlá-los um por um. Ter a flexibilidade de fazer isso com campos magnéticos, ou campos elétricos, ou qualquer combinação deles, nos dará muitas possibilidades. opções para brincar ao ampliar o sistema."

De volta ao laboratório

Em seguida, o grupo utilizará o grande espaço computacional do átomo de antimônio para realizar operações quânticas que são muito mais sofisticadas do que aquelas proporcionadas pelos qubits simples. Eles planejam codificar um qubit “lógico” dentro do átomo – um qubit construído em mais de dois níveis quânticos, para obter redundância suficiente para detectar e corrigir erros à medida que ocorrem.

“Esta é a próxima fronteira para hardware de computador quântico prático e útil”, diz o Prof.

“Ser capaz de construir um qubit lógico com correção de erros dentro de um único átomo será uma tremenda oportunidade para ampliar o hardware quântico de silício até o ponto em que se torne comercialmente útil.”

Mais informações: Irene Fernández de Fuentes et al, Navegando no espaço de Hilbert de 16 dimensões de um qudit doador de alta rotação com campos elétricos e magnéticos, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45368-y
Fornecido pela Universidade de Nova Gales do Sul