Os pesquisadores estão avançando na computação quântica desenvolvendo qubits baseados no spin de elétrons e buracos, com descobertas recentes na Universidade de Basel mostrando interações controladas entre qubits usando spins de buracos. Esses avanços sugerem um futuro promissor para computadores quânticos eficientes e escalonáveis que usam a tecnologia de silício existente.
Avanços na tecnologia qubit na Universidade de Basel mostram promessa de escalabilidade Computação quânticausando spins de elétrons e buracos para obter controle e interações precisas de qubits.
A busca por um computador quântico prático está a todo vapor, com pesquisadores de todo o mundo explorando uma ampla gama de tecnologias qubit. Apesar dos extensos esforços, ainda não há consenso sobre qual tipo de qubit maximiza melhor o potencial da ciência da informação quântica.
Qubits são a base de um computador quântico. Eles são responsáveis por processar, transferir e armazenar dados. Qubits eficazes devem armazenar informações de maneira confiável e processar informações rapidamente. Isso exige interações estáveis e rápidas entre um grande número de qubits que sistemas externos possam controlar com precisão.
Os computadores quânticos mais avançados de hoje possuem apenas algumas centenas de qubits. Isso os limita a realizar cálculos que os computadores convencionais já são capazes de realizar e que muitas vezes podem fazer com mais eficiência. Para que a computação quântica avance, os pesquisadores devem encontrar uma maneira de acomodar milhões de qubits em um único chip.
Elétrons e Buracos
Para resolver o problema de organizar e vincular milhares de qubits, pesquisadores da Universidade de Basel e do NCCR SPIN contam com um tipo de qubit que usa o spin (momento angular intrínseco) de um elétron ou de um buraco. Um buraco é essencialmente um elétron ausente em um semicondutor. Tanto os buracos quanto os elétrons possuem spin, que pode adotar um de dois estados: para cima ou para baixo, análogo a 0 e 1 nos bits clássicos. Comparado ao spin do elétron, o spin do buraco tem a vantagem de poder ser totalmente controlado eletricamente sem a necessidade de componentes adicionais, como microímãs no chip.
Dois qubits de rotação de buracos interagindo. Quando um buraco (magenta/amarelo) passa de um local para outro, seu spin (seta) gira devido ao chamado acoplamento spin-órbita, levando a interações anisotrópicas representadas pelas bolhas circundantes. Crédito: NCCR SPIN
Em 2022, os físicos da Basileia demonstrado que o buraco gira em um dispositivo eletrônico existente pode ser capturado e usado como qubits. Esses “FinFETs” (transistores de efeito de campo fin) são integrados aos smartphones modernos e são produzidos em processos industriais generalizados. Agora, uma equipe liderada pelo Dr. Andreas Kuhlmann conseguiu pela primeira vez alcançar uma interação controlável entre dois qubits dentro desta configuração.
Spin-Flip controlado rápido e preciso
Um computador quântico precisa de “portas quânticas” para realizar cálculos. Estes representam operações que manipulam os qubits e os acoplam entre si. Como relatam os pesquisadores na revista Física da Natureza, eles foram capazes de acoplar dois qubits e provocar um giro controlado de um de seus giros, dependendo do estado do giro do outro – conhecido como giro-flip controlado. “Os hole spins nos permitem criar portas de dois qubits que são rápidas e de alta fidelidade. Este princípio agora também torna possível acoplar um número maior de pares de qubits”, diz Kuhlmann.
O acoplamento de dois qubits de spin é baseado em sua interação de troca, que ocorre entre duas partículas indistinguíveis que interagem entre si eletrostaticamente. Surpreendentemente, a energia de troca dos buracos não é apenas controlável eletricamente, mas também fortemente anisotrópica. Isto é uma consequência do acoplamento spin-órbita, o que significa que o estado de spin de um buraco é influenciado pelo seu movimento através do espaço.
Para descrever esta observação em um modelo, físicos experimentais e teóricos da Universidade de Basel e do NCCR SPIN combinaram forças. “A anisotropia torna possíveis portas de dois qubits sem o compromisso usual entre velocidade e fidelidade”, diz Kuhlmann. “Qubits baseados em hole spins não apenas aproveitam a fabricação testada e comprovada de chips de silício, mas também são altamente escaláveis e provaram ser rápidos e robustos em experimentos.” O estudo ressalta que esta abordagem tem uma grande chance na corrida para desenvolver um computador quântico em grande escala.
Referência: “Interação de troca anisotrópica de dois qubits hole-spin” por Simon Geyer, Bence Hetényi, Stefano Bosco, Leon C. Camenzind, Rafael S. Eggli, Andreas Fuhrer, Daniel Loss, Richard J. Warburton, Dominik M. Zumbühl e Andreas V. Kuhlmann, 6 de maio de 2024, Física da Natureza.
DOI: 10.1038/s41567-024-02481-5
