Pesquisadores da Universidade de Basel e do NCCR SPIN alcançaram a primeira interação controlável entre dois qubits de spin em um transistor de silício convencional. A inovação abre a possibilidade de integração de milhões desses qubits em um único chip usando processos de fabricação maduros.
A corrida para construir um computador quântico prático está bem encaminhada. Pesquisadores de todo o mundo estão trabalhando em uma enorme variedade de tecnologias qubit. Até agora, não há consenso sobre que tipo de qubit é mais adequado para maximizar o potencial da ciência da informação quântica.
Qubits são a base de um computador quântico: eles lidam com o processamento, transferência e armazenamento de dados. Para funcionar corretamente, eles precisam armazenar informações de maneira confiável e processar informações rapidamente. A base para o processamento rápido de informações são interações estáveis e rápidas entre um grande número de qubits cujos estados podem ser controlados externamente de forma confiável.
Para que um computador quântico seja prático, milhões de qubits devem ser acomodados em um único chip. Os computadores quânticos mais avançados de hoje têm apenas algumas centenas de qubits, o que significa que só podem realizar cálculos que já são possíveis (e muitas vezes mais eficientes) em computadores convencionais.
Elétrons e buracos
Para resolver o problema de organizar e vincular milhares de qubits, pesquisadores da Universidade de Basel e do NCCR SPIN contam com um tipo de qubit que usa o spin (momento angular intrínseco) de um elétron ou de um buraco. Um buraco é essencialmente um elétron ausente em um semicondutor. Tanto os buracos quanto os elétrons possuem spin, que pode adotar um de dois estados: para cima ou para baixo, análogo a 0 e 1 nos bits clássicos. Comparado ao spin do elétron, o spin do buraco tem a vantagem de poder ser totalmente controlado eletricamente sem a necessidade de componentes adicionais, como microímãs no chip.
Já em 2022, os físicos da Basileia conseguiram mostrar que os buracos giratórios em um dispositivo eletrônico existente podem ser capturados e usados como qubits. Esses “FinFETs” (transistores de efeito de campo fin) são integrados aos smartphones modernos e produzidos em processos industriais generalizados. Agora, uma equipe liderada por Andreas Kuhlmann conseguiu pela primeira vez alcançar uma interação controlável entre dois qubits nesta configuração.
Spin-flip controlado rápido e preciso
Um computador quântico precisa de “portas quânticas” para realizar cálculos. Estes representam operações que manipulam os qubits e os acoplam entre si. Como relatam os pesquisadores na revista Física da Natureza, eles foram capazes de acoplar dois qubits e provocar um giro controlado de um de seus giros, dependendo do estado do giro do outro – conhecido como giro-flip controlado. “Hole spins nos permitem criar portas de dois qubits que são rápidas e de alta fidelidade. Este princípio agora também torna possível acoplar um número maior de pares de qubits”, diz Kuhlmann.
O acoplamento de dois qubits de spin é baseado em sua interação de troca, que ocorre entre duas partículas indistinguíveis que interagem entre si eletrostaticamente. Surpreendentemente, a energia de troca dos buracos não é apenas controlável eletricamente, mas também fortemente anisotrópica. Isto é uma consequência do acoplamento spin-órbita, o que significa que o estado de spin de um buraco é influenciado pelo seu movimento através do espaço.
Para descrever esta observação em um modelo, físicos experimentais e teóricos da Universidade de Basel e do NCCR SPIN combinaram forças. “A anisotropia torna possíveis portas de dois qubits sem o compromisso usual entre velocidade e fidelidade”, diz o Dr. Kuhlmann em resumo.
“Qubits baseados em hole spins não apenas aproveitam a fabricação testada e comprovada de chips de silício, mas também são altamente escaláveis e provaram ser rápidos e robustos em experimentos.” O estudo ressalta que esta abordagem tem uma grande chance na corrida para desenvolver um computador quântico em grande escala.
Publicação original
Simon Geyer, Bence Hetényi, Stefano Bosco, Leon C. Camenzind, Rafael S. Eggli, Andreas Fuhrer, Daniel Loss, Richard J. Warburton, Dominik M. Zumbühl e Andreas V. Kuhlmann
Interação de troca anisotrópica de qubits de spin de dois buracos
Física da Natureza (2024), doi: 10.1038/s41567'024 -02481-5
