Um novo sistema quântico no chip permite o controle eficiente de uma grande variedade de qubits, avançando em direção à prática

Pesquisadores em MIT e a MITRE desenvolveram uma plataforma de hardware quântica modular e escalável, incorporando milhares de qubits em um único chip, prometendo controle e escalabilidade aprimorados. Utilizando centros de cores de diamante, esta nova arquitetura suporta extensas redes de comunicação quântica e introduz um processo inovador de fabricação de bloqueio e liberação para integrar eficientemente esses qubits com tecnologias de semicondutores existentes.

Potencial da Computação Quântica

Imagine ser capaz de resolver rapidamente problemas extremamente complexos que podem levar décadas para serem resolvidos pelo supercomputador mais poderoso do mundo. Essa é a promessa dos computadores quânticos.

No entanto, concretizar essa capacidade requer a construção de um sistema com milhões de blocos de construção interconectados chamados qubits. Criar e controlar tantos qubits em uma arquitetura de hardware é um enorme desafio que cientistas de todo o mundo estão se esforçando para enfrentar.

Avanços em Hardware Quântico

Para atingir esse objetivo, pesquisadores do MIT e do MITRE demonstraram uma plataforma de hardware modular e escalável que integra milhares de qubits interconectados em um circuito integrado personalizado. Essa arquitetura de “sistema quântico em chip” (QSoC) permite que os pesquisadores ajustem e controlem precisamente uma densa matriz de qubits. Vários chips podem ser conectados usando redes ópticas para criar uma rede de comunicação quântica em larga escala.

Ao ajustar qubits em 11 canais de frequência, essa arquitetura QSoC permite um novo protocolo proposto de “multiplexação de emaranhamento” para computação quântica em larga escala.

Fabricação inovadora de chips quânticos

A equipe passou anos aperfeiçoando um processo intrincado para fabricar matrizes bidimensionais de microchiplets qubit do tamanho de átomos e transferindo milhares deles para um chip semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS) cuidadosamente preparado. Essa transferência pode ser realizada em uma única etapa.

“Precisaremos de um grande número de qubits e de um grande controle sobre eles para realmente alavancar o poder de um sistema quântico e torná-lo útil. Estamos propondo uma arquitetura totalmente nova e uma tecnologia de fabricação que pode suportar os requisitos de escalabilidade de um sistema de hardware para um computador quântico”, diz Linsen Li, um estudante de pós-graduação em engenharia elétrica e ciência da computação (EECS) e autor principal de um artigo sobre essa arquitetura.

Os coautores de Li incluem Ruonan Han, professor associado do EECS, líder do Terahertz Integrated Electronics Group e membro do Research Laboratory of Electronics (RLE); autor sênior Dirk Englund, professor do EECS, pesquisador principal do Quantum Photonics and Artificial Intelligence Group e do RLE; assim como outros no MIT, Cornell University, Delft Institute of Technology, US Army Research Laboratory e MITRE Corporation. O artigo foi publicado recentemente na Nature .

Propriedades únicas dos centros de cores de diamante

Embora existam muitos tipos de qubits, os pesquisadores escolheram usar centros de cores de diamante por causa de suas vantagens de escalabilidade. Eles usaram esses qubits anteriormente para produzir chips quânticos integrados com circuitos fotônicos.

Qubits feitos de centros de cor de diamante são “átomos artificiais” que carregam informações quânticas. Como os centros de cor de diamante são sistemas de estado sólido, a fabricação de qubits é compatível com os processos modernos de fabricação de semicondutores. Eles também são compactos e têm tempos de coerência relativamente longos, que se referem à quantidade de tempo em que o estado de um qubit permanece estável, devido ao ambiente limpo fornecido pelo material de diamante.

Além disso, os centros de cores de diamante têm interfaces fotônicas que permitem que eles sejam emaranhados ou conectados remotamente com outros qubits que não sejam adjacentes a eles.

“A suposição convencional no campo é que a não homogeneidade do centro de cor do diamante é uma desvantagem em comparação com a memória quântica idêntica, como íons e átomos neutros. No entanto, transformamos esse desafio em uma vantagem ao abraçar a diversidade dos átomos artificiais: cada átomo tem sua própria frequência espectral. Isso nos permite comunicar com átomos individuais por meio do ajuste de voltagem em ressonância com um laser, muito parecido com o ajuste do dial em um pequeno rádio”, diz Englund.

Desafios de comunicação e controle quânticos

Isto é especialmente difícil porque os pesquisadores devem conseguir isso em grande escala para compensar a falta de homogeneidade do qubit em um sistema grande.

Para se comunicarem entre qubits, eles precisam ter múltiplos desses “rádios quânticos” discados no mesmo canal. Alcançar essa condição se torna quase certo ao escalar para milhares de qubits. Para esse fim, os pesquisadores superaram esse desafio integrando uma grande variedade de qubits de centro de cor de diamante em um chip CMOS que fornece os mostradores de controle. O chip pode ser incorporado com lógica digital integrada que reconfigura as tensões de forma rápida e automática, permitindo que os qubits atinjam a conectividade total.

“Isso compensa a natureza não homogênea do sistema. Com a plataforma CMOS, podemos ajustar de forma rápida e dinâmica todas as frequências qubit”, explica Li.

Fabricação de bloqueio e liberação

Para construir este QSoC, os pesquisadores desenvolveram um processo de fabricação para transferir “microchiplets” do centro de cor do diamante para um backplane CMOS em grande escala.

Eles começaram fabricando uma série de microchiplets centrais de cor de diamante a partir de um bloco sólido de diamante. Eles também projetaram e fabricaram antenas ópticas que permitem uma coleta mais eficiente dos fótons emitidos por esses qubits de centro de cor no espaço livre.

Em seguida, eles projetaram e mapearam o chip da fundição de semicondutores. Trabalhando na sala limpa do MIT.nano, eles pós-processaram um chip CMOS para adicionar soquetes em microescala que correspondam ao conjunto de microchiplet de diamante.

Eles construíram uma configuração de transferência interna no laboratório e aplicaram um processo de trava e liberação para integrar as duas camadas travando os microchiplets de diamante nos soquetes do chip CMOS. Como os microchiplets de diamante são fracamente ligados à superfície do diamante, quando eles liberam o diamante em massa horizontalmente, os microchiplets permanecem nos soquetes.

“Como podemos controlar a fabricação tanto do diamante quanto do chip CMOS, podemos fazer um padrão complementar. Dessa forma, podemos transferir milhares de chiplets de diamante para seus soquetes correspondentes, todos ao mesmo tempo”, diz Li.

Os pesquisadores demonstraram uma transferência de área de 500 por 500 mícrons para uma matriz com 1.024 nanoantenas de diamante, mas eles poderiam usar matrizes de diamante maiores e um chip CMOS maior para ampliar ainda mais o sistema. Na verdade, eles descobriram que com mais qubits, ajustar as frequências requer menos voltagem para esta arquitetura.

“Nesse caso, se você tiver mais qubits, nossa arquitetura funcionará ainda melhor”, diz Li.

Perspectivas Futuras e Testes de Desempenho

A equipe testou muitas nanoestruturas antes de determinar o conjunto de microchiplet ideal para o processo de bloqueio e liberação. No entanto, fabricar microchiplets quânticos não é uma tarefa fácil e o processo levou anos para ser aperfeiçoado.

“Repetimos e desenvolvemos a receita para fabricar essas nanoestruturas de diamante na sala limpa do MIT, mas é um processo muito complicado. Foram necessárias 19 etapas de nanofabricação para obter os microchiplets quânticos de diamante, e as etapas não foram simples”, acrescenta.

Juntamente com o QSoC, os investigadores desenvolveram uma abordagem para caracterizar o sistema e medir o seu desempenho em larga escala. Para fazer isso, eles construíram uma configuração de metrologia crio-óptica personalizada.

Usando essa técnica, eles demonstraram um chip inteiro com mais de 4.000 qubits que poderia ser sintonizado na mesma frequência, mantendo seu spin e propriedades ópticas. Eles também construíram uma simulação de gêmeo digital que conecta o experimento à modelagem digitalizada, o que os ajuda a compreender as causas básicas do fenômeno observado e a determinar como implementar a arquitetura com eficiência.

No futuro, os pesquisadores poderiam aumentar o desempenho de seu sistema refinando os materiais que eles usaram para fazer qubits ou desenvolvendo processos de controle mais precisos. Eles também poderiam aplicar essa arquitetura a outros sistemas quânticos de estado sólido.

Referência: “Integração heterogênea de interfaces spin–fóton com uma plataforma CMOS” por Linsen Li, Lorenzo De Santis, Isaac BW Harris, Kevin C. Chen, Yihuai Gao, Ian Christen, Hyeongrak Choi, Matthew Trusheim, Yixuan Song, Carlos Errando-Herranz, Jiahui Du, Yong Hu, Genevieve Clark, Mohamed I. Ibrahim, Gerald Gilbert, Ruonan Han e Dirk Englund, 29 de maio de 2024, Nature .
DOI: 10.1038/s41586-024-07371-7

Este trabalho foi apoiado pelo Programa Quantum Moonshot da MITRE Corporation, pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA, pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, pelo Centro de Redes Quânticas e pelo Programa de Pesquisa e Inovação Horizonte 2020 da União Europeia.