Los nuevos qubits de espín de silicio también emiten luz de banda de telecomunicaciones

por CARLOS Q CHOI

En teoría, las computadoras cuánticas pueden resolver problemas que ninguna computadora clásica podría, incluso con miles de millones de años, pero solo si poseen muchos componentes conocidos como qubits. Ahora, los científicos han fabricado más de 150.000 qubits basados ​​en silicio en un chip que pueden vincular con la luz, para ayudar a formar poderosas computadoras cuánticas conectadas por una Internet cuántica.

Los datos que revelan la primera observación óptica de espines en silicio.  Los escaneos de dos láseres de un solo giro revelan picos centrales característicos de división de giro; aquí los datos experimentales se visualizan como un mosaico extruido.  UNIVERSIDAD SIMON FRASER

Las computadoras clásicas encienden o apagan los transistores para representar los datos como unos o ceros. En contraste, las computadoras cuánticas usan bits cuánticos, también conocidos como qubits. Debido a la naturaleza surrealista de la física cuántica, los qubits pueden existir en un estado llamado superposición, en el que son esencialmente 1 y 0 al mismo tiempo. Este fenómeno permite que cada qubit realice dos cálculos a la vez. Cuantos más qubits estén enlazados mecánicamente cuánticamente, o enredados (consulte nuestro explicador) , dentro de una computadora cuántica, mayor será su poder de cómputo, de manera exponencial.

Actualmente, las computadoras cuánticas son plataformas cuánticas ruidosas de escala intermedia (NISQ), lo que significa que sus qubits ascienden a unos pocos cientos como máximo. Para resultar útiles en aplicaciones prácticas, es probable que las futuras computadoras cuánticas necesiten miles de qubits para ayudar a compensar los errores .

Hay muchos tipos diferentes de qubits en desarrollo, como circuitos superconductores , iones atrapados electromagnéticamente e incluso neón congelado . Recientemente, los científicos han descubierto que los llamados qubits de espín fabricados en silicio pueden resultar especialmente prometedores para la computación cuántica.

“Los giros de silicio son algunos de los mejores qubits naturales de la naturaleza”, dice la coautora principal del estudio, Stephanie Simmons , ingeniera cuántica de la Universidad Simon Fraser en Burnaby, BC, Canadá.

El “giro” en los qubits de giro es el momento angular de una partícula como un electrón o un núcleo atómico. El giro puede apuntar hacia arriba o hacia abajo de manera análoga a la aguja de una brújula que apunta al norte o al sur. Un qubit de espín puede existir en una superposición donde está orientado en ambos sentidos a la vez.

Los qubits de giro de silicio se encuentran entre los qubits más estables creados hasta la fecha. Además, en teoría, esta tecnología puede escalar rápidamente con el apoyo de las décadas de trabajo dedicadas al desarrollo de la industria global de semiconductores.

Hasta ahora, los científicos habían medido espines individuales solo eléctricamente en silicio. Esto, a su vez, significaba que la única forma de entrelazar espines era electromagnéticamente, “lo que debe hacerse con qubits muy cerca unos de otros”, dice Simmons. “Esto es difícil de escalar desde una perspectiva de ingeniería”.

Ahora, por primera vez, los investigadores han detectado giros individuales ópticamente en qubits en silicio. Tal acceso óptico a los qubits giratorios sugiere que algún día será posible usar la luz para “hacer que los qubits se enreden entre sí en un chip, o en un centro de datos tan fácilmente como si estuvieran uno al lado del otro”, dice Simmons.

Los nuevos qubits de espín se basan en centros de daño por radiación, defectos dentro del silicio creados mediante la implantación de iones o la irradiación con electrones de alta energía. Específicamente, son centros T , cada uno compuesto por dos átomos de carbono, un átomo de hidrógeno y un electrón desapareado.

Cada centro T presenta un espín de electrones desapareado y un espín nuclear de hidrógeno, cada uno de los cuales puede servir como un qubit. El espín del electrón puede permanecer coherente o estable durante más de 2 milisegundos; el espín nuclear del hidrógeno puede permanecer así durante más de 1,1 segundos. “La larga vida útil de nuestros qubits giratorios de silicio ya es bastante competitiva, y tenemos ideas sobre cómo impulsarlos mucho más”, dice Simmons.

Los investigadores imprimieron 150.000 puntos denominados “micropucks” en obleas fotónicas integradas de silicio sobre aislante estándar de la industria comercial. Cada microdisco tenía entre 0,5 y 2,2 micrómetros de ancho y tenía un centro T en promedio, dice el autor principal del estudio, Daniel Higginbottom, de la Universidad Simon Fraser.

una serie de microdiscos
Bajo el microscopio: una matriz de miles de micropucks. UNIVERSIDAD SIMON FRASER

Bajo un campo magnético, los estados de qubit de espín en cada centro T tienen energías ligeramente diferentes y cada uno emite una longitud de onda de luz diferente. Esto permite a los científicos detectar ópticamente los estados de cada qubit de espín en estos centros T.

Las longitudes de onda que emiten estos qubits de espín se encuentran en la banda O del infrarrojo cercano . Esto significa que estos qubits giratorios pueden vincularse con otros qubits emitiendo el tipo de luz que se usa a menudo en las redes de telecomunicaciones, ayudando a los qubits a trabajar juntos dentro de un procesador cuántico y ayudando a las computadoras cuánticas a asociarse en una Internet cuántica.

Además, “los qubits de espín nuclear y de electrones se pueden operar juntos: el espín nuclear como un qubit de memoria de larga duración y el espín de electrones como un qubit de comunicación acoplado ópticamente, y la información se puede intercambiar entre ellos mediante campos de microondas”, dice Simmons. . “Ningún otro sistema cuántico físico combina memorias cuánticas de alto rendimiento, vínculos directos y sólidos con los fotones de telecomunicaciones y las perspectivas comerciales del silicio, que es la principal plataforma del mundo tanto para la microelectrónica moderna como para la fotónica integrada”.

Los científicos conocen los centros T desde la década de 1970. “No sabemos por qué somos los primeros en comenzar a investigar los centros T como qubits en silicio”, dice Simmons. “Es posible que los investigadores asumieran que los qubits de fotones de espín candidatos en silicio eran simplemente menos propensos a competir con candidatos en otros materiales como el diamante y el carburo de silicio. Es un misterio para nosotros”.

En general, “estamos muy entusiasmados con la escalabilidad fundamental de estos qubits”, dice Simmons. “Es un nuevo participante en la carrera internacional por una computadora cuántica, y creemos que las perspectivas son muy brillantes”.

Aunque los investigadores han fabricado muchos qubits en este nuevo estudio, “aún no se han conectado a una computadora cuántica en funcionamiento”, advierte Simmons. “El acceso óptico a estos giros hará que este cableado sea mucho más fácil que muchos otros enfoques, pero esta tecnología aún es muy joven y hay mucho trabajo por hacer”.

Los científicos detallaron sus hallazgos en línea el 13 de junio en la revista Nature

Fuente: https://spectrum.ieee.org/silicon-spin-qubits

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