Imagen a escala atómica de dos donantes de silicio que interactúan. Crédito: CQC2T
Investigadores australianos han localizado el ‘punto óptimo’ para colocar qubits en silicio para escalar átomoprocesadores cuánticos basados en
Investigadores del Centro de Excelencia para Computación Cuántica y Tecnología de la Comunicación (CQC2T) trabajar con Silicon Quantum Computing (SQC) ha localizado el ‘punto óptimo’ para posicionar qubits en silicio para escalar procesadores cuánticos basados en átomos.
Creación de bits cuánticos, o qubits, colocando con precisión átomos de fósforo en silicio: el método pionero en CQC2T, directora, profesora Michelle Simmons, es un enfoque líder en el mundo en el desarrollo de una computadora cuántica de silicio.
En la investigación del equipo, publicada hoy en Comunicaciones de la naturaleza, la colocación de precisión ha demostrado ser esencial para desarrollar interacciones sólidas, o acoplamientos, entre qubits.
“Hemos localizado la posición óptima para crear interacciones reproducibles, fuertes y rápidas entre los qubits”, dice el profesor Sven Rogge, quien dirigió la investigación.
«Necesitamos estas interacciones sólidas para diseñar un procesador de varios qubit y, en última instancia, una computadora cuántica útil».
Las puertas de dos qubits, el bloque de construcción central de una computadora cuántica, utilizan interacciones entre pares de qubits para realizar operaciones cuánticas. Para los qubits de átomos en silicio, investigaciones anteriores han sugerido que para ciertas posiciones en el cristal de silicio, las interacciones entre los qubits contienen un componente oscilatorio que podría ralentizar las operaciones de la puerta y dificultar su control.
“Durante casi dos décadas, se ha predicho que la naturaleza oscilatoria potencial de las interacciones será un desafío para la ampliación”, dijo el Prof. Dice Rogge.
“Ahora, a través de medidas novedosas de las interacciones de los qubits, hemos desarrollado una comprensión profunda de la naturaleza de estas oscilaciones y proponemos una estrategia de ubicación de precisión para hacer robusta la interacción entre los qubits. Este es un resultado que muchos creían que no era posible «.
Encontrar el ‘punto óptimo’ en las simetrías de cristal
Los investigadores dicen que ahora han descubierto que exactamente dónde colocas los qubits es esencial para crear interacciones fuertes y consistentes. Esta información crucial tiene implicaciones importantes para el diseño de procesadores a gran escala.
“El silicio es un cristal anisotrópico, lo que significa que la dirección en la que se colocan los átomos puede influir significativamente en las interacciones entre ellos”, dice el Dr. Benoit Voisin, autor principal de la investigación.
«Si bien ya sabíamos acerca de esta anisotropía, nadie había explorado en detalle cómo podría usarse realmente para mitigar la fuerza de interacción oscilante».
“Descubrimos que hay un ángulo especial, o punto óptimo, dentro de un plano particular del cristal de silicio donde la interacción entre los qubits es más resistente. Es importante destacar que este punto óptimo se puede lograr utilizando técnicas de litografía de microscopio de túnel de barrido (STM) desarrolladas en la UNSW «.
«Al final, tanto el problema como su solución se originan directamente en las simetrías de cristal, así que este es un buen giro».
Usando un STM, el equipo puede trazar la función de onda de los átomos en imágenes 2D e identificar su ubicación espacial exacta en el cristal de silicio, demostrado por primera vez en 2014 con una investigación publicada en Materiales de la naturaleza y avanzado en un 2016 Nanotecnología de la naturaleza papel.
En la última investigación, el equipo utilizó la misma técnica STM para observar detalles a escala atómica de las interacciones entre los qubits de átomos acoplados.
«Utilizando nuestra técnica de imágenes de estado cuántico, pudimos observar por primera vez tanto la anisotropía en la función de onda como el efecto de interferencia directamente en el plano; este fue el punto de partida para comprender cómo se desarrolla este problema», dice el Dr. Voisin.
“Entendimos que primero teníamos que calcular el impacto de cada uno de estos dos ingredientes por separado, antes de mirar la imagen completa para resolver el problema; así es como pudimos encontrar este punto óptimo, que es fácilmente compatible con la precisión de la colocación atómica que ofrece nuestra técnica de litografía STM «.
Construyendo una computadora cuántica de silicio átomo por átomo
Científicos de UNSW en CQC2Lideramos el mundo en la carrera para construir computadoras cuánticas basadas en átomos en silicio. Los investigadores de CQC2T, y su empresa de marketing relacionada SQC, son el único equipo en el mundo que tiene la capacidad de ver la posición exacta de sus qubits en el estado sólido.
En 2019, el grupo Simmons alcanzó un hito importante en su enfoque de colocación de precisión: el equipo primero construyó la puerta de dos qubits más rápida en silicio colocando dos qubits de átomos juntos, y luego observando y midiendo de manera controlada sus estados de giro en tiempo real. . La investigación fue publicada en Naturaleza.
Ahora, con los últimos avances del equipo de Rogge, los investigadores de CQC2T y SQC están posicionados para utilizar estas interacciones en sistemas de mayor escala para procesadores escalables.
«Ser capaz de observar y colocar con precisión átomos en nuestros chips de silicio sigue proporcionando una ventaja competitiva para la fabricación de ordenadores cuánticos en silicio», dice el Prof. Simmons.
Los equipos combinados de Simmons, Rogge y Rahman están trabajando con SQC para construir la primera computadora cuántica comercial útil en silicio. Co-ubicado con CQC2En el campus de UNSW Sydney, el objetivo de SQC es construir el procesador cuántico más estable y de la más alta calidad.
Referencias:
«Interferencia de valle e intercambio de espín a escala atómica en silicio» por B. Voisin, J. Bocquel, A. Tankasala, M. Usman, J. Salfi, R. Rahman, MY Simmons, LCL Hollenberg y S. Rogge, 30 de noviembre 2020, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-020-19835-1
“Resolver espacialmente la interferencia cuántica de valle de un donante en silicio” por J. Salfi, JA Mol, R. Rahman, G. Klimeck, MY Simmons, LCL Hollenberg y S. Rogge, 6 de abril de 2014, Materiales de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / nmat3941
“Metrología espacial de dopantes en silicio con precisión de sitio de celosía exacta” por M. Usman, J. Bocquel, J. Salfi, B. Voisin, A. Tankasala, R. Rahman, MY Simmons, S. Rogge y LCL Hollenberg, 6 de junio 2016, Nanotecnología de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / nnano.2016.83
«Una puerta de dos qubit entre electrones donantes de fósforo en silicio» por Y. He, SK Gorman, D. Keith, L. Kranz, JG Keizer y MY Simmons, 17 de julio de 2019, Naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-019-1381-2