Engenheiros desenvolvem chip de silício quântico estável a partir de átomos artificiais

Crédito: Universidade de Nova Gales do Sul.

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

Os átomos artificiais recentemente desenvolvidos em um chip de silício podem se tornar a nova base para a computação quântica.

Os engenheiros da Austrália descobriram uma maneira de tornar esses átomos artificiais mais estáveis, o que, por sua vez, poderia produzir bits quânticos ou qubits mais consistentes – as unidades básicas de informação em um sistema quântico.

A pesquisa é baseada em um trabalho anterior da equipe, no qual eles produziram os primeiros qubits em um chip de silício, que poderia processar informações com mais de 99% de precisão. Agora, eles encontraram uma maneira de minimizar a taxa de erro causada por imperfeições no silício.

“O que realmente nos empolga em nossa pesquisa mais recente é que os átomos artificiais com um número maior de elétrons se tornam qubits muito mais robustos do que se pensava, o que significa que podem ser utilizados ​​com segurança para cálculos em computadores quânticos”, disse o engenheiro quântico Andrew Dzurak, pesquisador da Universidade de Nova Gales do Sul (UNSW) na Austrália.

“Isso é realmente significativo porque os qubits baseados em apenas um elétron podem não ser muito confiáveis”.

Em um átomo real, os elétrons giram em três dimensões ao redor de um núcleo. Essas órbitas tridimensionais são chamadas de invólucros de elétrons, e os elementos podem ter diferentes números de elétrons.

Os átomos artificiais – também conhecidos como pontos quânticos – são cristais semicondutores em nanoescala com um espaço que pode prender elétrons e limitar seus movimentos em três dimensões, mantendo-os no lugar de campos elétricos.

A equipe criou seus átomos utilizando um eletrodo de metal para aplicar tensão ao silício, atraindo elétrons sobressalentes do silício para o ponto quântico.

“Em um átomo real, você tem uma carga positiva no meio, sendo o núcleo, e os elétrons carregados negativamente são mantidos em torno dele em órbitas tridimensionais”, explicou o físico Andre Saraiva.

“No nosso caso, ao invés do núcleo positivo, a carga positiva vem do eletrodo que é separado do silício por uma barreira isolante de óxido de silício e, em seguida, os elétrons são suspensos embaixo dele, cada um orbitando em torno do centro do ponto quântico. Mas, em vez de formarem uma esfera, elas são dispostos em um disco”.

Quando a equipe cria átomos artificiais equivalentes ao hidrogênio, lítio e sódio, eles podem utilizar um único elétron como um qubit, a versão quântica de um bit binário.

No entanto, diferentemente dos bits binários, que processam informações em um dos dois estados (1 ou 0), um qubit pode estar no estado de 1, 0 ou ambos simultaneamente – um estado chamado de superposição – com base em seus estados de rotação. Isso significa que eles podem executar cálculos paralelos, em vez de fazê-los consecutivamente, tornando-os uma ferramenta de computação muito mais poderosa.

Isso foi o que a equipe demonstrou anteriormente, mas o sistema não era perfeito.

“Até agora, as imperfeições nos dispositivos de silício no nível atômico interromperam o comportamento dos qubits, levando a operações e erros não confiáveis”, disse o engenheiro quântico Ross Leon.

Então, a equipe aumentou a tensão no eletrodo, que atraiu mais elétrons. Esses elétrons, por sua vez, imitam átomos mais pesados, que possuem múltiplas camadas de elétrons.

“Nosso novo trabalho mostra que podemos controlar a rotação de elétrons nas camadas externas desses átomos artificiais para nos fornecerem qubits confiáveis ​​e estáveis”, disse Dzurak.

“Isso é realmente importante porque significa que agora podemos trabalhar com qubits muito menos frágeis. Um elétron é uma coisa muito frágil. No entanto, um átomo artificial com 5 elétrons ou 13 elétrons é muito mais robusto”.

A pesquisa foi publicada na Nature Communications.