Átomo artificial é usado por engenheiros para criar chip quântico de silício mais estável

Por , em 14.02.2020

Novo método para tornar átomos artificiais mais estáveis, desenvolvido por engenheiros na Austrália, pode resultar em qubits mais consistentes. Esses bits quânticos são a unidade básica de informação em sistemas quânticos.

Os átomos criados em um chip de silício podem se tornar a base da computação quântica. A pesquisa foi desenvolvida com base em trabalho prévio da equipe. Eles haviam desenvolvido os primeiro qubits em chip de silício, que poderia processar informações com precisão superior a 99%.

A ideia de criar átomos artificiais, ou pontos quânticos, usando elétrons foi proposta pela primeira vez nos anos 1930 e demonstrada experimentalmente na década de 1990, mas não com silício. A versão inicial do trabalho dessa equipe foi realizada em 2013.

Agora, os pesquisadores encontraram uma forma de minimizar a taxa de erro causada pelas imperfeições do silício. A melhoria está relacionada com o fato de que átomos com maior número de elétrons tem mais qubits do que imaginavam ser possível.

Isso quer dizer que eles podem ser usados para cálculos em computadores quânticos, de acordo com engenheiro quântico da University of New South Wales, Andrew Dzurak. Essa maior quantidade tem relevância, uma vez que qubits baseados em apenas um elétron não são muito confiáveis.

Atração de elétrons

Os átomos artificiais são cristais semicondutores em nanoescala. Diferente de um átomo real, eles não têm núcleo, mas continuam tendo elétrons que se movem no centro do dispositivo, contidos por campos elétricos.

O campo elétrico foi usado para atrair os elétrons soltos do silício para o ponto quântico. Em um átomo real a carga positiva no meio é o núcleo, que é orbitado por elétrons de carga negativa.

No átomo artificial o núcleo é substituído por uma carga positiva vinda do terminal de comporta separado do silício por barreira isolante de dióxido de silício. Os eletros são suspensos sob ele, orbitando o centro do ponto quântico em disco e não de forma esférica como os anteriores.

Quando são criados átomos artificiais equivalentes a hidrogênio, lítio e sódio (elementos que têm apenas um elétron na camada mais externa da eletrosfera) o elétron pode ser usado como qubit. Essa é a versão quântica de um bit, unidade binária que processa informação em dois estados (1 ou 0). Diferente do bit, um qubit pode estar no estado 1, 0 ou ambos. Esse último é chamado sobreposição.

Aumentar a precisão

Devido a comportamento não confiável nos dispositivos de silício testados anteriormente, os pesquisadores elevaram a voltagem no terminal de comporta, que causou a atração de mais elétrons. Estes imitam átomos mais pesados, que possuem mais camadas eletrônicas. Assim como nos átomos reais, essas camadas são bem organizadas e previsíveis.

Quando uma camada está completa, os elétrons alinham seus polos em direções opostas, assim o spin total do sistema é zero e não podem ser usados como qubit. Mas quando outro elétron é adicionado para começar nova camada, tem um spin que pode ser usado como qubit.

Assim, parece ser possível compensar erros que surgiram com as imperfeições da escala atômica no chip de silício. Com o controle do spin de elétrons é possível ter qubits mais estáveis e confiáveis. [Science Alert, Scimex, Nature Communications]

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