Qubits de silício são fabricados em escala industrial pela primeira vez

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/04/2022

Seção da pastilha de silício de 300 mm, contendo 82 células unitárias e mais de 10.000 matrizes de pontos quânticos de vários comprimentos.
[Imagem: Tim Herman/Intel]

Qubits de silício em escala industrial

Uma equipe da Universidade de Tecnologia de Delft, nos Países Baixos, e da Intel, nos EUA, fabricou o primeiro chip com qubits em silício usando as mesmas instalações de fabricação industrial que produzem em massa os chips de computador convencionais.

Até agora, os bits dos computadores quânticos eram componentes virtualmente "artesanais", feitos em condições de laboratório nas quais inúmeros deles são fabricados, e os pesquisadores precisam então selecionar manualmente aqueles que funcionam.

A fabricação dos qubits sobre silício, usando equipamentos industriais, é um passo crucial para a escalabilidade, permitindo chegar aos milhares ou milhões de qubits necessários para a computação quântica prática.

A fabricação de um computador quântico escalável ainda terá que vencer vários obstáculos importantes, sendo que encontrar o tipo mais eficiente de qubit é um dos mais importantes.

Um candidato promissor é o qubit baseado no spin de elétrons únicos que são capturados em um componente de silício. Uma grande vantagem deste qubit em silício é a sua semelhança com os transistores da computação eletrônica. Outra, é a possibilidade, que agora foi demonstrada, de usar o amplo conhecimento e capacidade da indústria de semicondutores para produzir bits quânticos com alta uniformidade, poucos defeitos e rendimento muito acima daqueles feitos em laboratório.

"Muitos artigos afirmam: Qubits de spin de semicondutores em silício são compatíveis com a fabricação de semicondutores CMOS. Mas só agora provamos que isso é realmente verdade," disse Lieven Vandersypen, coordenador da equipe. "Além disso, o rendimento do dispositivo alcançado pela equipe da Intel foi de sem precedentes 98%, comparado a 50% em um bom dia em nossa sala limpa da universidade".

Os qubits em silício são estruturalmente muito semelhantes aos transistores eletrônicos, embora funcionem de modo completamente diferente.
[Imagem: A. M. J. Zwerver et al. - 10.1038/s41928-022-00727-9]

Qubits em um chip

A base de armazenamento da informação quântica em um qubit em silício é o spin de um único elétron. O elétron fica preso dentro de uma "caixa", representada por um poço de potencial em uma paisagem de energia - um ponto quântico.

Essa "paisagem energética" é produzida por uma combinação de campos elétricos e de propriedades do material, montado em uma estrutura em tudo semelhante a um transístor convencional, que opera graças a uma interface entre silício e óxido de silício.

Desta forma é possível isolar e endereçar um único elétron no ponto quântico e ter controle total sobre seu spin ajustando os campos elétricos nos eletrodos que chegam ao componente.

O protótipo consiste em uma matriz de 10.000 qubits em uma bolacha industrial de silício de 300 milímetros.

Os pesquisadores testaram duas propriedades de sua bolacha: O rendimento dos componentes e sua uniformidade. O primeiro é medido verificando quantos dos qubits funcionam corretamente, com a corrente fluindo e os contatos sem vazamento de energia. A uniformidade é medida comparando a tensão limite dos qubits individuais a temperatura ambiente. Os resultados indicaram um rendimento e uniformidade da amostra de 98%.

A melhoria da qualidade de cada componente individual e desse controle elétrico dos qubits dentro de um único chip representa um marco na escalabilidade da computação quântica. A seguir, a equipe irá se concentrar no controle individual e independente dos qubits dentro do chip, que podem alcançar um número virtualmente ilimitado.

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