Bolacha de diamante viabiliza computação quântica a temperatura ambiente

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/05/2022

Observe, no canto inferior esquerdo, a pastilha de diamante disponível até agora, em comparação com a que acaba de ser fabricada.
[Imagem: Adamant]

Bolacha de diamante

Pesquisadores da Universidade de Saga, no Japão, em colaboração com a empresa Adamant Namiki, conseguiram fabricar uma bolacha de diamante de 50 milímetros (mm) de diâmetro (2 polegadas).

Embora a microeletrônica use atualmente bolachas de silício de 200 mm e 300 mm (8 e 12 polegadas), os maiores cristais de diamante fabricados até hoje tinham meros 4 mm², pequenos demais para uso prático.

O diamante tem inúmeras vantagens sobre os demais semicondutores, não apenas para uso na microeletrônica convencional, mas sobretudo pela sua possibilidade de uso na computação quântica, onde ele funciona a temperatura ambiente.

No primeiro caso, se usada como memória esta bolacha de diamante de 50 mm permitiria armazenar 25 exabytes de dados (10¹⁸ bytes), o equivalente a um bilhão de discos Blu-Ray.

Mas o diamante é um dos materiais mais promissores para a computação quântica porque ele permite construir qubits muito resistente a ruídos e erros, um dos grandes desafios para fabricar computadores quânticos práticos - recentemente a Alemanha anunciou um projeto para fabricar um computador quântico com qubits de diamante.

Segundo a equipe do professor Makoto Kazuma, a nova bolacha tem não mais do que três partes por bilhão (3 ppb) de átomos de nitrogênio, o que está dentro das exigências para seu uso na computação quântica.

Sua construção foi viabilizada por uma técnica na qual o substrato, o cristal de safira que serve de apoio para o crescimento do diamante, é girado em vários graus em relação ao plano de crescimento do diamante. Isso cria uma estrutura em forma de escada, no nível atômico, para o crescimento do cristal, fazendo com que o diamante "flua" lateralmente através dos degraus, reduzindo bastante o estresse e evitando trincas.

Novo princípio de crescimento de fluxo em degraus (em cima ) e método de crescimento convencional (embaixo).
[Imagem: Makoto Kazuma/Saga University]

Qubits no diamante

Os qubits no diamante são construídos usando defeitos cristalinos, conhecidos como vacâncias de nitrogênio, que podem ser naturais do cristal ou construídos de forma criteriosa para uso prático. A vacância, também conhecida como "centro de cor", ocorre quando um átomo de carbono da estrutura cúbica do diamante é substituído por outro átomo.

O qubit consiste na orientação magnética dos elétrons "soltos" nesse defeito, funcionando como uma memória quântica no nível atômico.

Curiosamente, um dos grandes desafios para fabricar bolachas de diamante de grandes dimensões é justamente controlar a quantidade de nitrogênio no material, uma vez que ninguém quer defeitos demais.

É possível usar o spin de elétrons em outros materiais, mas a direção do spin não pode ser estabilizada a temperatura ambiente, como no diamante, complicando o projeto. Aparentemente, apenas o diamante permite usar o spin do elétron a temperatura ambiente de modo confiável o suficiente para aplicações industriais - além dos qubits, isso pode ser útil em sensores magnéticos com alta ressonância espacial e alta sensibilidade e sensores de biomarcadores para uso em medicina.

As bolachas de diamante deverão chegar ao mercado em 2023, mas a equipe anunciou que já está trabalhando em sua nova técnica para tentar dobrar o diâmetro de suas pastilhas.