Los átomos artificiales recién creados en un chip de silicio podrían convertirse en la nueva base para computación cuántica.
Los ingenieros en Australia han encontrado una manera de hacer que estos átomos artificiales sean más estables, lo que a su vez podría producir bits cuánticos o qubits más consistentes, las unidades básicas de información en un sistema cuántico.
La investigación se basa en trabajo previo del equipo, en donde produjeron los primeros qubits en un chip de silicio, que podría procesar información con más del 99 por ciento de precisión. Ahora, han encontrado una manera de minimizar la tasa de error causada por imperfecciones en el silicio.
"Lo que realmente nos entusiasma de nuestra última investigación es que los átomos artificiales con un mayor número de electrones resultan ser qubits mucho más robustos de lo que se pensaba anteriormente, lo que significa que pueden usarse de manera confiable para los cálculos en computadoras cuánticas
"Esto es significativo porque los qubits basados en un solo electrón pueden ser muy poco confiables".
En un átomo real, los electrones zumban en tres dimensiones alrededor de un núcleo. Estas órbitas tridimensionales se llaman capas de electrones, y los elementos pueden tener diferentes números de electrones.
Los átomos artificiales, también conocidos como puntos cuánticos, son cristales semiconductores a nanoescala con un espacio que puede atrapar electrones y limitar su movimiento en tres dimensiones, manteniéndolos en su lugar con campos eléctricos.
El equipo creó sus átomos usando un electrodo de compuerta de superficie metálica para aplicar voltaje al silicio, atrayendo electrones de repuesto del silicio al punto cuántico.
"En un átomo real, tienes una carga positiva en el medio, que es el núcleo, y luego los electrones cargados negativamente se mantienen a su alrededor en órbitas tridimensionales". explicó el físico de estado sólido Andre Saraiva de UNSW.
"En nuestro caso, en lugar del núcleo positivo, la carga positiva proviene del electrodo de puerta que está separado del silicio por una barrera aislante de óxido de silicio, y luego los electrones se suspenden debajo de él, cada uno orbitando alrededor del centro del cuanto punto. Pero en lugar de formar una esfera, están dispuestos planos, en un disco ".
Hidrógeno, litio y sodio son elementos que puede tener solo un electrón en su capa de electrones. Este es el modelo utilizado para la computación cuántica. Cuando el equipo crea átomos artificiales equivalentes a hidrógeno, litio y sodio, pueden usar ese solo electrón como qubit, la versión cuántica de un bit binario.
Sin embargo, a diferencia de los bits binarios, que procesan información en uno de los dos estados (1 o 0), un qubit puede estar en el estado de 1, 0 o ambos simultáneamente, un estado llamado superposición, en función de sus estados de rotación. Esto significa que pueden realizar cálculos paralelos, en lugar de hacerlos consecutivamente, lo que los convierte en una herramienta informática mucho más poderosa.
Esto es lo que el equipo demostró anteriormente, pero el sistema no era perfecto.
"Hasta ahora, las imperfecciones en los dispositivos de silicio a nivel atómico han alterado la forma en que se comportan los qubits, lo que lleva a errores y operaciones poco confiables". dijo el ingeniero cuántico de la UNSW Ross Leon.
Entonces, el equipo aumentó el voltaje en su electrodo de compuerta, que atrajo más electrones; Estos electrones, a su vez, imitan átomos más pesados, que tienen múltiples capas de electrones. En los átomos artificiales, al igual que en los átomos reales, estas capas son predecibles y están bien organizadas.
"Cuando los electrones en un átomo real o en nuestros átomos artificiales forman una capa completa, alinean sus polos en direcciones opuestas para que el giro total del sistema sea cero, haciéndolos inútiles como un qubit. Pero cuando agregamos un electrón más para comenzar un nuevo caparazón, este electrón adicional tiene un giro que ahora podemos usar nuevamente como qubit " Dzurak dijo.
Esta nueva configuración también parece compensar los errores introducidos por las imperfecciones a escala atómica en el chip de silicio.
"Nuestro nuevo trabajo muestra que podemos controlar el giro de los electrones en las capas externas de estos átomos artificiales para darnos qubits estables y confiables", dijo Dzurak.
"Esto es realmente importante porque significa que ahora podemos trabajar con qubits mucho menos frágiles. Un electrón es algo muy frágil. Sin embargo, un átomo artificial con 5 electrones, o 13 electrones, es mucho más robusto".
La investigación ha sido publicada en Comunicaciones de la naturaleza (papel no disponible al momento de la publicación).