A ideia de criar um computador quântico baseado em spin usando pontos quânticos foi introduzida pela primeira vez por Daniel Loss e David Di Vincenzo em 1998. Desde então, inúmeros engenheiros e físicos em todo o mundo têm tentado realizar sua visão usando componentes de hardware existentes e recém-desenvolvidos.
Até agora, o silício provou estar entre os materiais mais promissores para a criação de computadores quânticos baseados em spin, já que a maioria dos semicondutores de óxido metálico complementar (CMOSs) em uso hoje são feitos de silício. Além disso, o silício pode ser projetado para ser livre de spins nucleares, que são conhecidos por degradar a coerência de qubits de spin em computadores quânticos.
Pesquisadores da Universidade de Basel e IBM Research-Zurich exploraram recentemente a possibilidade de hospedar qubits de spin em FinFETs baseados em silício, uma classe de transistores introduzida pela primeira vez por pesquisadores da Universidade da Califórnia-Berkeley. Seus resultados, publicados na Nature Electronics, foram muito promissores, pois sugerem que os FinFETs podem ajudar a melhorar a escalabilidade das tecnologias quânticas.
“Bilhões de FinFETs são usados nos chips de computador atuais”, disseram Andreas Kuhlmann e Dominik Zumbühl, dois dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao TechXplore. “Alcançar a escalabilidade (ou seja, passar de algumas dezenas de qubits para muitos milhões) continua sendo o maior desafio para a computação quântica. Então, pensamos: por que não construir um computador quântico com uma plataforma que superou com sucesso esse desafio” também excelentes hosts para qubits de spin (buracos) e uma propriedade muito útil dos qubits de spin de buracos é sua interação spin-órbita.”
A interação spin-órbita é uma propriedade importante dos qubits de spin do buraco que pode ser muito vantajosa, pois permite que os pesquisadores manipulem os estados de spin aplicando um sinal elétrico oscilante a eles. A teoria da física prevê que os buracos nos FinFETs de silício terão uma interação spin-órbita incomumente grande que pode ser modulada eletricamente.
Em seus experimentos, Kuhlmann, Zumbühl e seus colegas testaram essa previsão usando um dispositivo FinFET padrão para hospedar qubits de spin pequenos, rápidos e coerentes que são resistentes a altas temperaturas. Em última análise, eles descobriram que o silício FinFET poderia hospedar os qubits de spin operando em temperaturas acima de 4 Kelvin.
“Nossos dispositivos funcionam de maneira semelhante a um transistor clássico, onde o eletrodo de porta controla o fluxo de corrente da fonte para o dreno”, explicaram Kuhlmann e Zumbühl. “Aqui, usamos as portas para capturar spins de buraco único. Uma vez que os spins são localizados (dentro do que chamamos de ponto quântico), os sinais de micro-ondas podem ser aplicados para manipular o estado de spin. Quanto menores esses pontos quânticos, mais robustos eles são. contra a temperatura.”
Os FinFET realizados pelos pesquisadores se assemelham aos que estão sendo fabricados atualmente em todo o mundo. Isso significa que eles podem ser fáceis de integrar com componentes existentes e aumentar a escala (ou seja, aumentar o número de qubits dentro deles).
Outras plataformas de computação quântica existentes, como aquelas que hospedam qubits supercondutores, normalmente precisam operar em temperaturas de milikelvin (mK). Os qubits hospedados na plataforma desenvolvida pelos pesquisadores, por outro lado, podem ser operados em temperaturas acima de 4K.
“Um criostato operando em 4K é tecnicamente muito menos exigente do que um operando em temperaturas mK”, disseram Kuhlmann e Zumbühl. “Além disso, em 4K a potência de resfriamento disponível é de ordem de magnitude maior do que em temperaturas mK. Isso significa que, no futuro, poderíamos integrar a eletrônica de controle clássica (necessária para controle de qubit) on-chip com os qubits. Isso é importante ao aumentar a escala a contagem de qubits, já que o número de linhas de controle que vão da temperatura ambiente para mK dentro de uma geladeira é limitado, e quanto mais qubits, mais linhas de controle são necessárias.”
No futuro, o recente estudo realizado por Kuhlmann, Zumbühl e seus colegas pode ajudar a acelerar o desenvolvimento da tecnologia de computação quântica e melhorar sua escalabilidade. Enquanto isso, os pesquisadores planejam otimizar ainda mais o desempenho dos qubits dentro do dispositivo.
“Queremos tornar os qubits mais coerentes e, ao mesmo tempo, reduzir os tempos de porta”, disseram Kuhlmann e Zumbühl. “Além disso, gostaríamos de aumentar o número de qubits dentro de nosso transistor.”
Publicado em 31/03/2022 08h12
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