Fundamentos da computação quântica

Enquanto os computadores convencionais usam bits clássicos para cálculos, computadores quânticos use bits quânticos, ou qubits, em vez disso. Embora os bits clássicos possam ter os valores 0 ou 1, os qubits podem existir em uma mistura de probabilidades de ambos os valores ao mesmo tempo. Isso torna a computação quântica extremamente poderosa para problemas que os computadores convencionais não são bons em resolver. Para construir computadores quânticos em grande escala, os investigadores precisam de compreender como criar e controlar materiais que sejam adequados para a produção em escala industrial.

Semicondutores são materiais qubit muito promissores. Os semicondutores já compõem os chips de computadores em telefones celulares, computadores, equipamentos médicos e outras aplicações. Certos tipos de defeitos em escala atômica, chamados de vagas, no semicondutor carboneto de silício (SiC) são promissores como qubits. No entanto, os cientistas têm uma compreensão limitada de como gerar e controlar estes defeitos. Usando uma combinação de simulações em nível atômico, os pesquisadores conseguiram rastrear como essas vagas se formam e se comportam.

Avanços em materiais quânticos

A computação quântica pode revolucionar a nossa capacidade de responder a questões desafiadoras. Os computadores quânticos de pequena escala existentes deram uma ideia do poder da tecnologia. Para construir e implementar computadores quânticos em grande escala, os investigadores precisam de saber como controlar qubits feitos de materiais que façam sentido técnico e económico para a indústria.

A pesquisa identificou a estabilidade e os caminhos moleculares para criar as vagas desejadas para qubits e determinar suas propriedades eletrônicas.

Esses avanços ajudarão no projeto e na fabricação de qubits baseados em spin com precisão atômica em materiais semicondutores, acelerando, em última análise, o desenvolvimento de computadores quânticos e sensores quânticos de grande escala de próxima geração.

Desafios no desenvolvimento da computação quântica

A próxima revolução tecnológica na ciência da informação quântica exige que os pesquisadores implantem computadores quânticos em grande escala que, idealmente, possam operar à temperatura ambiente. A realização e o controle de qubits em materiais industrialmente relevantes são fundamentais para atingir esse objetivo.

No trabalho aqui relatado, os pesquisadores estudaram qubits construídos a partir de vagas em carboneto de silício (SiC) usando vários métodos teóricos. Até agora, os pesquisadores sabiam pouco sobre como controlar e arquitetar o processo seletivo de formação para as vagas. As energias de barreira envolvidas para a migração e combinação de vagas representam os desafios mais difíceis para a teoria e simulações.

Avanços na pesquisa em computação quântica

Neste estudo, uma combinação de simulações de materiais de última geração e técnicas de amostragem baseadas em redes neurais levaram pesquisadores do Centro de Materiais Computacionais (MICCoM) do Departamento de Energia (DOE) a descobrir o mecanismo de geração atomística de qubits de defeitos de spin em um semicondutor de banda larga.

A equipe mostrou o mecanismo de geração de qubits em SiC, um semicondutor promissor com longos tempos de coerência de qubit e inicialização de spin totalmente óptico e recursos de leitura.

O MICCoM é um dos centros de Ciências de Materiais Computacionais do DOE em todo o país que desenvolve ferramentas de software avançadas de código aberto para ajudar a comunidade científica a modelar, simular e prever as propriedades fundamentais e o comportamento de materiais funcionais. Os pesquisadores envolvidos neste estudo são do Argonne National Laboratory e da University of Chicago . 

Referência: “Estabilidade e vias moleculares para a formação de defeitos de spin em carboneto de silício” por Elizabeth MY Lee, Alvin Yu, Juan J. de Pablo e Giulia Galli, 3 de novembro de 2021,  Nature Communications .
DOI: 10.1038/s41467-021-26419-0

Este trabalho foi apoiado pelo Departamento de Energia (DOE) Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Materials Sciences and Engineering Division e faz parte do Basic Energy Sciences Computational Materials Sciences Program in Theoretical Condensed Matter Physics. As simulações computacionalmente exigentes usaram vários recursos de computação de alto desempenho: Bebop no Laboratory Computing Resource Center do Argonne National Laboratory; o Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), uma instalação de usuário do DOE Office of Science; e o Research Computing Center da University of Chicago. A equipe recebeu acesso aos recursos de computação do ALCF por meio do programa Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE) do DOE. Suporte adicional foi fornecido pelo NIH.