Uma colaboração entre as Universidades de Melbourne e Manchester levou a um método inovador para a produção de silício ultrapuro, aumentando o potencial para computadores quânticos escaláveis e precisos. Esta técnica amplia a coerência quântica, reduzindo significativamente os erros de computação e permitindo cálculos complexos que superam os computadores tradicionais.
Pesquisadores das Universidades de Melbourne e Manchester inventaram uma técnica inovadora para a fabricação de silício altamente purificado que aproxima os poderosos computadores quânticos.
A nova técnica para projetar silício ultrapuro torna-o o material perfeito para fabricar computadores quânticos em escala e com alta precisãodizem os pesquisadores.
Melhorando a Coerência Quântica
O coorientador do projeto, Professor David Jamieson, da Universidade de Melbourne, disse que a inovação – publicada hoje (7 de maio de 2024) em Matéria de Comunicaçãoiaisa Natureza revista – usa qubits de átomos de fósforo implantados em cristais de silício puro e estável e pode superar uma barreira crítica para Computação quântica ao prolongar a duração de situações notoriamente frágeis coerência quântica.
“A coerência quântica frágil significa que os erros de computação se acumulam rapidamente. Com a coerência robusta fornecida pela nossa nova técnica, os computadores quânticos poderiam resolver em horas ou minutos alguns problemas que levariam séculos aos computadores convencionais ou “clássicos” – até mesmo aos supercomputadores”, disse o professor Jamieson.
Um qubit – como um núcleo atômico, elétron ou fóton – é um objeto quântico quando está em uma superposição quântica de múltiplos estados. A coerência é perdida quando o qubit reverte para um estado único e se torna um objeto clássico como um bit de computador convencional, que é sempre apenas um ou zero e nunca está em superposição.
Bits quânticos ou qubits – os blocos de construção dos computadores quânticos – são suscetíveis a pequenas mudanças no seu ambiente, incluindo flutuações de temperatura. Mesmo quando operado em refrigeradores tranquilos perto zero absoluto (menos 273 graus Celsius), os computadores quânticos atuais podem manter uma coerência livre de erros por apenas uma pequena fração de segundo.
O co-orientador da Universidade de Manchester, professor Richard Curry, disse que o silício ultrapuro permitiu a construção de dispositivos qubit de alto desempenho – um componente crítico necessário para abrir caminho para computadores quânticos escaláveis.
“O que conseguimos fazer foi criar efetivamente um ‘tijolo’ crítico necessário para construir um computador quântico baseado em silício. É um passo crucial para criar uma tecnologia que tenha potencial para ser transformadora para a humanidade”, disse o professor Curry.
O autor principal e estudante de doutorado da Universidade de Melbourne / Universidade de Manchester, Ravi Acharya, prepara um chip de silício para enriquecimento no laboratório de feixe de íons focado em P-NAME da Universidade de Manchester. Crédito: Universidade de Melbourne/Universidade de Manchester
O papel do silício na tecnologia quântica
O autor principal, Ravi Acharya, bolsista conjunto da Universidade de Manchester / Universidade de Melbourne Cookson, disse que a grande vantagem da computação quântica de chips de silício é que ela usa as mesmas técnicas essenciais que fabricam os chips usados nos computadores atuais.
“Os chips eletrônicos atualmente presentes em um computador comum consistem em bilhões de transistores – eles também podem ser usados para criar qubits para dispositivos quânticos baseados em silício. A capacidade de criar qubits de silício de alta qualidade foi em parte limitada até o momento pela pureza do material inicial de silício utilizado. A pureza inovadora que mostramos aqui resolve este problema.”
O professor Jamieson disse que os novos chips de computador de silício altamente purificados abrigam e protegem os qubits para que possam sustentar a coerência quântica por muito mais tempo, permitindo cálculos complexos com necessidade bastante reduzida de correção de erros.
“Nossa técnica abre caminho para computadores quânticos confiáveis que prometem mudanças radicais em toda a sociedade, inclusive em inteligência artificial, dados e comunicações seguras, design de vacinas e medicamentos e uso de energia, logística e fabricação”, disse ele.
O silício – feito da areia da praia – é o material chave para a indústria atual de tecnologia da informação porque é um material abundante e versátil. semicondutor: pode atuar como condutor ou isolante de corrente elétrica, dependendo de quais outros elementos químicos lhe sejam adicionados.
“Outros estão experimentando alternativas, mas acreditamos que o silício é o principal candidato para chips de computador quântico que permitirão a coerência duradoura necessária para cálculos quânticos confiáveis”, disse o professor Jamieson.
Os coautores (esquerda) Prof David Jamieson (Universidade de Melbourne) e (direita) Dr. Maddison Coke (Universidade de Manchester) inspecionam o sistema de feixe de íons focado P-NAME na Universidade de Manchester usado para o projeto de enriquecimento de silício. Crédito: Universidade de Melbourne / Universidade de Manchester
Purificando Silício para Computação Quântica
“O problema é que, embora o silício que ocorre naturalmente seja principalmente o desejável isótopo silício-28, há também cerca de 4,5% de silício-29. O Silício-29 tem um nêutron extra em cada átomodo núcleo que atua como um minúsculo ímã desonesto, destruindo a coerência quântica e criando erros de computação”, disse ele.
Os pesquisadores direcionaram um feixe focado e de alta velocidade de silício-28 puro em um chip de silício, de modo que o silício-28 substituiu gradualmente os átomos de silício-29 no chip, reduzindo o silício-29 de 4,5% para duas partes por milhão (0,0002% ).
“A grande notícia é purificar o silício a este nível, agora podemos usar uma máquina padrão – um implantador de íons – que você encontraria em qualquer laboratório de fabricação de semicondutores, ajustado para uma configuração específica que projetamos”, disse o professor Jamieson.
Perspectivas e Impacto Futuro
Em pesquisa publicada anteriormente com o Centro de Excelência ARC para Computação Quântica e Tecnologia de Comunicação, a Universidade de Melbourne estabeleceu – e ainda mantém – o recorde mundial de coerência de qubit único de 30 segundos usando silício menos purificado. 30 segundos é tempo suficiente para concluir cálculos quânticos complexos e sem erros.
O professor Jamieson disse que os maiores computadores quânticos existentes tinham mais de 1.000 qubits, mas erros ocorreram em milissegundos devido à perda de coerência.
“Agora que podemos produzir silício-28 extremamente puro, nosso próximo passo será demonstrar que podemos sustentar a coerência quântica para muitos qubits simultaneamente. Um computador quântico confiável com apenas 30 qubits excederia o poder dos supercomputadores atuais para algumas aplicações”, disse ele.
Este último trabalho foi apoiado por bolsas de investigação dos governos australiano e do Reino Unido. A colaboração do Professor Jamieson com a Universidade de Manchester é apoiada pela Royal Society Wolfson Visiting Fellowship.
Um relatório de 2020 do CSIRO da Austrália estimou que a computação quântica na Austrália tem potencial para criar 10.000 empregos e US$ 2,5 bilhões em receita anual até 2040.
“Nossa pesquisa nos leva significativamente mais perto de concretizar esse potencial”, disse o professor Jamieson.
Referência: “Silício altamente enriquecido com 28Si por implantação localizada de feixe de íons focado” 7 de maio de 2024, Materiais de comunicação.
DOI: 10.1038/s43246-024-00498-0
