A nova técnica do Berkeley Lab usa lasers de femtosegundo e hidrogênio para criar com precisão qubits em silício, avançando nas perspectivas de escalabilidade

” dados-gt-translate-attributes=”[{[{“atributo”:”data-cmtooltip”, “formatar”:”HTML”}]” tabindex=”0″ role=”link”>computação quântica e redes.

• Pesquisadores do Berkeley Lab relataram um grande avanço que poderia nos aproximar de um computador quântico escalável.
• Usando um laser de femtosegundo durante experimentos que exploram o papel do hidrogênio na formação de qubits, os pesquisadores desenvolveram um método que programa a formação de qubits ópticos de banda de telecomunicações em silício para fabricação em larga escala.
• A técnica poderia permitir computadores quânticos escaláveis ​​do futuro, com base na atual infraestrutura de computação baseada em silício.

Potencial e desafios da computação quântica

Os computadores quânticos têm o potencial de resolver problemas complexos de saúde humana, descoberta de medicamentos e

” dados-gt-translate-attributes=”[{[{“atributo”:”data-cmtooltip”, “formatar”:”HTML”}]” tabindex=”0″ role=”link”>inteligência artificial milhões de vezes mais rápido do que alguns dos supercomputadores mais rápidos do mundo. Uma rede de computadores quânticos poderia avançar essas descobertas ainda mais rapidamente. Mas antes que isso aconteça, a indústria da informática precisará de uma forma confiável de encadear bilhões de qubits – ou bits quânticos – com precisão atômica.

Conectar qubits, no entanto, tem sido um desafio para a comunidade de pesquisa. Alguns métodos formam qubits colocando uma pastilha de silício inteira em um forno de recozimento rápido em temperaturas muito altas. Com esses métodos, qubits se formam aleatoriamente a partir de defeitos (também conhecidos como centros de cores ou emissores quânticos) na rede cristalina do silício. E sem saber exatamente onde os qubits estão localizados em um material, será difícil realizar um computador quântico de qubits conectados.

Avanços na criação e controle de Qubit

Mas agora, em breve será possível conectar qubits. Uma equipe de pesquisa liderada pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) diz que eles são os primeiros a usar um laser de femtosegundo para criar e “aniquilar” qubits sob demanda, e com precisão, dopando silício com hidrogênio.

O avanço poderia permitir computadores quânticos que usam qubits ópticos programáveis ​​ou “spin-

” dados-gt-translate-attributes=”[{[{“atributo”:”data-cmtooltip”, “formatar”:”HTML”}]” tabindex=”0″ role=”link”>fóton qubits” para conectar nós quânticos em uma rede remota. Também poderia promover uma Internet quântica que não só fosse mais segura, mas também pudesse transmitir mais dados do que as atuais tecnologias de informação de fibra óptica.

“Isso poderia abrir um novo caminho potencial para a indústria superar os desafios na fabricação de qubit e no controle de qualidade.”

– Thomas Schenkel, cientista sênior, Divisão de Tecnologia de Aceleradores e Física Aplicada

Visão para uma arquitetura quântica escalável

“Para criar uma arquitetura ou rede quântica escalável, precisamos de qubits que possam se formar de forma confiável sob demanda, em locais desejados, para que possamos saber onde o qubit está localizado em um material. E é por isso que nossa abordagem é crítica”, disse Kaushalya Jhuria, pós-doutorado na Divisão de Tecnologia de Aceleradores e Física Aplicada (ATAP) do Berkeley Lab. Ela é a primeira autora de um novo estudo que descreve a técnica na revista Nature Communications. “Porque, uma vez que sabemos onde um qubit específico está localizado, podemos determinar como conectar esse qubit a outros componentes do sistema e criar uma rede quântica.”

“Isso poderia abrir um novo caminho potencial para a indústria superar os desafios na fabricação de qubit e controle de qualidade”, disse o investigador principal Thomas Schenkel, chefe do Programa de Ciência de Fusão e Tecnologia de Feixe de Íons na Divisão ATAP do Berkeley Lab. Seu grupo hospedará o primeiro grupo de estudantes da Universidade do Havaí em junho, como parte de um projeto RENEW financiado pela DOE Fusion Energy Sciences sobre desenvolvimento de força de trabalho, onde os alunos estarão imersos na ciência e tecnologia do centro de cores/qubit.

Formando Qubits em Silício com Controle Programável

O novo método usa um ambiente gasoso para formar defeitos programáveis ​​chamados “centros de cores” no silício. Esses centros de cores são candidatos a qubits especiais de telecomunicações ou “qubits de fótons giratórios”. O método também usa um laser de femtosegundo ultrarrápido para recozer o silício com precisão exata onde esses qubits devem se formar com precisão. Um laser de femtosegundo fornece pulsos muito curtos de energia dentro de um quatrilionésimo de segundo para um alvo focado do tamanho de uma partícula de poeira.

Qubits de fótons giratórios emitem fótons que podem transportar informações codificadas no spin do elétron por longas distâncias – propriedades ideais para apoiar uma rede quântica segura. Qubits são os menores componentes de um sistema de informação quântica que codifica dados em três estados diferentes: 1, 0 ou uma superposição que é tudo entre 1 e 0.

Com a ajuda de Boubacar Kanté, cientista da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor de engenharia elétrica e ciências da computação (EECS) na UC Berkeley, a equipe usou um detector infravermelho próximo para caracterizar os centros de cores resultantes, sondando sua óptica (fotoluminescência ) sinais.

O que eles descobriram os surpreendeu: um emissor quântico chamado centro Ci. Devido à sua estrutura simples, estabilidade à temperatura ambiente e propriedades de spin promissoras, o centro Ci é um interessante candidato a qubit de fóton de spin que emite fótons na banda de telecomunicações. “Sabíamos pela literatura que Ci pode ser formado em silício, mas não esperávamos realmente fazer esse novo candidato a qubit de fóton de spin com nossa abordagem”, disse Jhuria.

Direções Potenciais e Futuras

Os pesquisadores aprenderam que o processamento de silício com baixa intensidade de laser de femtosegundo na presença de hidrogênio ajudou a criar os centros de cores Ci. Outras experiências mostraram que aumentar a intensidade do laser pode aumentar a mobilidade do hidrogênio, que passiva os centros de cores indesejáveis ​​sem danificar a rede de silício, explicou Schenkel.

Uma análise teórica realizada por Liang Tan, cientista da equipe da Molecular Foundry do Berkeley Lab, mostra que o brilho do centro de cor Ci é aumentado em várias ordens de grandeza na presença de hidrogênio, confirmando suas observações em experimentos de laboratório.

“Os pulsos de laser de femtosegundo podem expulsar átomos de hidrogênio ou trazê-los de volta, permitindo a formação programável de qubits ópticos desejados em locais precisos”, disse Jhuria.

A equipe planeja usar a técnica para integrar qubits ópticos em dispositivos quânticos, como cavidades reflexivas e guias de onda, e para descobrir novos candidatos a qubits de fótons de spin com propriedades otimizadas para aplicações selecionadas.

“Agora que podemos criar centros de cores de maneira confiável, queremos fazer com que diferentes qubits se comuniquem entre si – o que é uma personificação do emaranhamento quântico – e ver quais deles têm o melhor desempenho. Este é apenas o começo”, disse Jhuria.

“A capacidade de formar qubits em locais programáveis ​​em um material como o silício que está disponível em escala é um passo emocionante em direção a redes e computação quânticas práticas”, disse Cameron Geddes, Diretor da Divisão ATAP.

Referência: “Formação de emissor quântico programável em silício” por K. Jhuria, V. Ivanov, D. Polley, Y. Zhiyenbayev, W. Liu, A. Persaud, W. Redjem, W. Qarony, P. Parajuli, Q. Ji , AJ Gonsalves, J. Bokor, LZ Tan, B. Kanté e T. Schenkel, 27 de maio de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-48714-2