“Punto debole” quantistico: i ricercatori trovano la posizione migliore per i qubit atomici nel silicio

"Utilizzando la nostra tecnica di imaging a stato quantistico, abbiamo potuto osservare per la prima volta sia l'anisotropia nella funzione d'onda che l'effetto di interferenza direttamente nel piano: questo è stato il punto di partenza per capire come risolvere questo problema"

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I ricercatori del Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC 2 T) che lavorano con Silicon Quantum Computing (SQC) hanno individuato il “punto debole” per il posizionamento dei qubit nel silicio per scalare i processori quantistici basati su atomi.
La creazione di bit quantistici, o qubit, posizionando con precisione atomi di fosforo nel silicio – il metodo sperimentato per la prima volta dal direttore di CQC 2 T Prof. Michelle Simmons – è un approccio leader mondiale nello sviluppo di un computer quantistico al silicio.
Nella ricerca del team, pubblicata su Nature Communications, il posizionamento di precisione si è dimostrato essenziale per lo sviluppo di interazioni robuste, o accoppiamenti, tra qubit.
Abbiamo individuato la posizione ottimale per creare interazioni riproducibili, forti e veloci tra i qubit“, afferma il professor Sven Rogge, che ha guidato la ricerca. “Abbiamo bisogno di queste solide interazioni per progettare un processore multiqubit e, in definitiva, un utile computer quantistico“.
I gate a due qubit, l’elemento costitutivo centrale di un computer quantistico, utilizzano le interazioni tra coppie di qubit per eseguire operazioni quantistiche. Per i qubit atomici in silicio, ricerche precedenti hanno suggerito che, per certe posizioni nel cristallo di silicio, le interazioni tra i qubit contengono una componente oscillatoria che potrebbe rallentare le operazioni di gate e renderle difficili da controllare.
Per quasi due decenni, la potenziale natura oscillatoria delle interazioni è stata considerata una sfida per lo scale-up“, afferma il prof. Rogge.
Ora, attraverso nuove misurazioni delle interazioni dei qubit, abbiamo sviluppato una profonda comprensione della natura di queste oscillazioni e proponiamo una strategia di posizionamento di precisione per rendere robusta l’interazione tra i qubit. Questo è un risultato che molti credevano non fosse possibile“.

Trovare il “punto debole” nelle simmetrie cristalline

I ricercatori dicono che ora hanno scoperto che capire esattamente dove si posizionano i qubit è essenziale per creare interazioni forti e coerenti. Questa intuizione cruciale ha implicazioni significative per la progettazione di processori su larga scala.
Il silicio è un cristallo anisotropo, il che significa che la direzione in cui sono collocati gli atomi può influenzare in modo significativo le interazioni tra loro“, afferma il dott. Benoit Voisin, autore principale della ricerca. “Anche se sapevamo già di questa anisotropia, nessuno aveva esplorato in dettaglio come potesse effettivamente essere utilizzata per mitigare la forza di interazione oscillante“.
Abbiamo scoperto che esiste un angolo speciale, o punto debole, all’interno di un particolare piano del cristallo di silicio in cui l’interazione tra i qubit è più resistente. È importante sottolineare che questo punto ottimale è ottenibile utilizzando le tecniche di litografia esistenti del microscopio a scansione a tunnel (STM) sviluppate presso UNSW“.
Alla fine, sia il problema che la sua soluzione hanno origine direttamente dalle simmetrie dei cristalli, quindi questa è una bella svolta“.
Utilizzando un STM, il team è in grado di mappare la funzione d’onda degli atomi in immagini 2-D e identificare la loro esatta posizione spaziale nel cristallo di silicio, dimostrata per la prima volta nel 2014 con una ricerca pubblicata su Nature Materials e avanzata in un documento di Nature Nanotechnology del 2016.
Nell’ultima ricerca, il team ha utilizzato la stessa tecnica STM per osservare i dettagli su scala atomica delle interazioni tra i qubit atomici accoppiati.
Utilizzando la nostra tecnica di imaging a stato quantistico, abbiamo potuto osservare per la prima volta sia l’anisotropia nella funzione d’onda che l’effetto di interferenza direttamente nel piano: questo è stato il punto di partenza per capire come risolvere questo problema“, afferma il dott. Voisin.
Abbiamo capito che dovevamo prima calcolare l’impatto di ciascuno di questi due ingredienti separatamente, prima di guardare il quadro completo per risolvere il problema: è così che abbiamo potuto trovare questo punto debole, che è prontamente compatibile con la precisione del posizionamento atomico offerto dalla nostra tecnica di litografia STM“.

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Costruire un computer quantistico al silicio

Gli scienziati UNSW di CQC 2 T stanno guidando il mondo nella corsa per costruire computer quantistici basati su atomi in silicio. I ricercatori di CQC 2 T, e la sua società di commercializzazione collegata SQC, sono l’unico team al mondo che ha la capacità di vedere la posizione esatta dei loro qubit allo stato solido.
Nel 2019, il gruppo Simmons ha raggiunto una pietra miliare nell’approccio al posizionamento di precisione, con il team che ha prima costruito il gate a due qubit più veloce in silicio posizionando due qubit atomici vicini, quindi osservando e misurando in modo controllabile i loro stati di spin in tempo reale. La ricerca è stata pubblicata su Nature .
Ora, con gli ultimi progressi del team Rogge, i ricercatori di CQC 2 T e SQC sono in grado di utilizzare queste interazioni in sistemi su scala più ampia per processori scalabili.
La possibilità di osservare e posizionare con precisione gli atomi nei nostri chip di silicio continua a fornire un vantaggio competitivo per la fabbricazione di computer quantistici in silicio“, afferma il prof. Simmons.
I team combinati Simmons, Rogge e Rahman stanno lavorando con SQC per costruire il primo computer quantistico commerciale utile in silicio. Co-situato con CQC 2 T nel campus UNSW di Sydney, l’obiettivo di SQC è quello di costruire il processore quantistico più stabile e di massima qualità.