Os pesquisadores do MIT desenvolveram um processo para fabricar e integrar "átomos artificiais", criados por defeitos em escala atômica em fatias microscopicamente finas de diamante, com circuitos fotônicos, produzindo o maior chip quântico de seu tipo.
A conquista "marca um ponto de virada" no campo dos processadores quânticos escaláveis, diz Dirk Englund, professor associado do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação do MIT. Milhões de processadores quânticos serão necessários para construir computadores quânticos, e a nova pesquisa demonstra uma maneira viável de aumentar a produção de processadores, observam ele e seus colegas.
Ao contrário dos computadores clássicos, que processam e armazenam informações usando bits representados por 0s e 1s, os computadores quânticos operam usando bits quânticos ou qubits, que podem representar 0, 1 ou ambos ao mesmo tempo. Essa propriedade permite que computadores quânticos executem simultaneamente vários cálculos, resolvendo problemas que seriam intratáveis para computadores clássicos.
Os qubits no novo chip são átomos artificiais feitos de defeitos no diamante, que podem ser estimulados com luz visível e microondas para emitir fótons que transportam informações quânticas. O processo, que Englund e sua equipe descrevem na Nature, é uma abordagem híbrida, na qual “micropartículas quânticas” cuidadosamente selecionadas contendo vários qubits baseados em diamante são colocadas em um circuito integrado fotônico de nitreto de alumínio.
"Nos últimos 20 anos de engenharia quântica, tem sido a visão definitiva fabricar esses sistemas de qubit artificial em volumes comparáveis aos da eletrônica integrada", diz Englund. "Embora tenha havido um progresso notável nessa área muito ativa de pesquisa, as complicações de fabricação e materiais até agora produziram apenas dois a três emissores por sistema fotônico".
Usando seu método híbrido, Englund e colegas conseguiram construir um sistema de 128 qubit - o maior chip de átomo-fotônica artificial integrado até o momento.
"É bastante empolgante em termos de tecnologia", diz Marko Lončar, professor de engenharia elétrica da Tiantsai Lin na Universidade de Harvard, que não participou do estudo. "Eles conseguiram obter emissores estáveis em uma plataforma fotônica, mantendo boas memórias quânticas".
Outros autores do artigo da Nature incluem os pesquisadores do MIT Noel H. Wan, Tsung-Ju Lu, Kevin C. Chen, Michael P. Walsh, Matthew E. Trusheim, Lorenzo De Santis, Eric A. Bersin, Isaac B. Harris, Sara L Mouradian e Ian R. Christen; com Edward S. Bielejec no Sandia National Laboratories.
Controle de qualidade para chiplets
Os átomos artificiais nos chiplets consistem em centros de cores em diamantes, defeitos na estrutura de carbono do diamante onde faltam átomos de carbono adjacentes, com seus espaços preenchidos por um elemento diferente ou deixados vazios. Nos chiplets do MIT, os elementos de substituição são germânio e silício. Cada centro funciona como um emissor de átomo cujos estados de rotação podem formar um qubit. Os átomos artificiais emitem partículas coloridas de luz, ou fótons, que carregam a informação quântica representada pelo qubit.
Os centros de cores diamantes são bons qubits de estado sólido, mas “o gargalo dessa plataforma está na verdade construindo uma arquitetura de sistema e dispositivo que pode ser escalada para milhares e milhões de qubits”, explica Wan. “Os átomos artificiais estão em um cristal sólido e a contaminação indesejada pode afetar importantes propriedades quânticas, como tempos de coerência. Além disso, variações dentro do cristal podem fazer com que os qubits sejam diferentes um do outro, e isso dificulta a escala desses sistemas”.
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Em vez de tentar construir um grande chip quântico inteiramente em diamante, os pesquisadores decidiram adotar uma abordagem modular e híbrida. "Usamos técnicas de fabricação de semicondutores para fazer esses pequenos chiplets de diamante, dos quais selecionamos apenas os módulos qubit de alta qualidade", diz Wan. "Em seguida, integramos esses chiplets peça por peça em outro chip que 'liga' os chiplets em um dispositivo maior".
A integração ocorre em um circuito integrado fotônico, que é análogo a um circuito eletrônico integrado, mas usa fótons em vez de elétrons para transportar informações. O Photonics fornece a arquitetura subjacente para rotear e alternar fótons entre os módulos no circuito com baixa perda. A plataforma do circuito é nitreto de alumínio, em vez do silício tradicional de alguns circuitos integrados.
Usando essa abordagem híbrida de circuitos fotônicos e chiplets de diamante, os pesquisadores foram capazes de conectar 128 qubits em uma plataforma. Os qubits são estáveis e duram muito, e suas emissões podem ser ajustadas dentro do circuito para produzir fótons espectralmente indistinguíveis, de acordo com Wan e colegas.
Uma abordagem modular
Embora a plataforma ofereça um processo escalável para produzir chips artificiais de átomos-fotônicos, o próximo passo será "ativá-lo", por assim dizer, para testar suas habilidades de processamento.
"Esta é uma prova de conceito de que os emissores de qubit de estado sólido são tecnologias quânticas muito escaláveis", diz Wan. "Para processar informações quânticas, o próximo passo seria controlar esse grande número de qubits e também induzir interações entre eles".
Os qubits nesse tipo de design de chip não precisariam necessariamente ser esses centros de cores de diamante em particular. Outros projetistas de chips podem escolher outros tipos de centros de cores de diamante, defeitos atômicos em outros cristais de semicondutores, como carboneto de silício, certos pontos quânticos de semicondutores ou íons de terras raras nos cristais. “Como a técnica de integração é híbrida e modular, podemos escolher o melhor material adequado para cada componente, em vez de confiar nas propriedades naturais de apenas um material, permitindo assim combinar as melhores propriedades de cada material diferente em um sistema”, diz Lu.
Encontrar uma maneira de automatizar o processo e demonstrar maior integração com componentes optoeletrônicos, como moduladores e detectores, será necessário para criar chips ainda maiores necessários para computadores quânticos modulares e repetidores quânticos multicanais que transportam qubits a longas distâncias, dizem os pesquisadores.
