La colaboración interinstitucional conduce a un nuevo control sobre los qubits de puntos cuánticos

Los qubits son los componentes básicos de las computadoras cuánticas, que tienen el potencial de revolucionar muchos campos de investigación al resolver problemas que las computadoras clásicas no pueden.

Pero crear qubits que tengan la calidad perfecta necesaria para la computación cuántica puede ser un desafío.

Investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison, HRL Laboratories LLC y la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) colaboraron en un proyecto para controlar mejor los qubits de puntos cuánticos de silicio, lo que permite una fabricación y un uso de mayor calidad en aplicaciones más amplias. Las tres instituciones están afiliadas a Chicago Quantum Exchange. La obra fue publicada en Cartas de revisión físicay el autor principal, JP Dodson, recientemente hizo la transición de UW–Madison a HRL.

«La consistencia es lo que buscamos aquí», dice Mark Friesen, científico distinguido de física en UW-Madison y autor del artículo. «Nuestra afirmación es que en realidad existe la esperanza de crear una matriz muy uniforme de puntos que puedan usarse como qubits».

Estados cuánticos sensibles

Mientras que los bits de computadora clásicos usan circuitos eléctricos para representar dos valores posibles (0 y 1), los qubits usan dos estados cuánticos para representar 0 y 1, lo que les permite aprovechar fenómenos cuánticos como la superposición para realizar cálculos potentes.

Los qubits se pueden construir de diferentes maneras. Una forma de construir un qubit es fabricar un punto cuántico, o una jaula muy, muy pequeña para electrones, formada dentro de un cristal de silicio. A diferencia de los qubits hechos de átomos individuales, que son todos naturalmente idénticos, los qubits de puntos cuánticos están hechos por el hombre, lo que permite a los investigadores personalizarlos para diferentes aplicaciones.

Pero una llave común en los engranajes metafóricos de estos qubits de silicio es la competencia entre diferentes tipos de estados cuánticos. La mayoría de los qubits usan «estados de giro» para representar 0 y 1, que se basan en una propiedad cuántica única llamada giro. Pero si el qubit tiene otros tipos de estados cuánticos con energías similares, esos otros estados pueden interferir, lo que dificulta que los científicos usen el qubit de manera efectiva.

En los puntos cuánticos de silicio, los estados que más a menudo compiten con los necesarios para la computación son los «estados de valle», llamados así por sus ubicaciones en un gráfico de energía: existen en los «valles» del gráfico.

Para tener el qubit de punto cuántico más efectivo, los estados de valle del punto deben controlarse de manera que no interfieran con los estados de espín que transportan la información cuántica. Pero los estados del valle son extremadamente sensibles; los puntos cuánticos se asientan sobre una superficie plana, y si hay incluso un átomo adicional en la superficie debajo del punto cuántico, las energías de los estados del valle cambian.

Los autores del estudio dicen que este tipo de defectos de un solo átomo son bastante «inevitables», por lo que encontraron una manera de controlar los estados del valle incluso en presencia de defectos. Al manipular el voltaje a través del punto, los investigadores descubrieron que podían mover físicamente el punto alrededor de la superficie en la que se asienta.

«Los voltajes de la puerta le permiten mover el punto a través de la interfaz en la que se asienta unos pocos nanómetros y, al hacerlo, cambia su posición en relación con las características de escala atómica», dice Mark Eriksson, profesor de John Bardeen y presidente de la Universidad de Washington. -Departamento de física de Madison, que trabajó en el proyecto. «Eso cambia las energías de los estados del valle de una manera controlable».

«El mensaje final de este documento», dice, «es que las energías de los estados del valle no se determinan para siempre una vez que se crea un punto cuántico. Podemos ajustarlos y eso nos permite crear mejores cúbits que van a crear mejores computadoras cuánticas».

Basándose en la experiencia académica y de la industria

Los materiales anfitriones de los puntos cuánticos se «cultivan» con una composición de capa precisa. El proceso es extremadamente técnico y Friesen señala que Lisa Edge de HRL Laboratories es una experta mundial.

«Se requieren muchas décadas de conocimiento para poder hacer crecer estos dispositivos correctamente», dice Friesen. «Llevamos varios años colaborando con HRL, y son muy buenos para poner a nuestra disposición materiales de muy alta calidad».

El trabajo también se benefició del conocimiento de Susan Coppersmith, teórica anteriormente en UW-Madison que se mudó a UNSW en 2018. Eriksson dice que la naturaleza colaborativa de la investigación fue crucial para su éxito.

«Este trabajo, que nos brinda muchos conocimientos nuevos sobre cómo controlar con precisión estos qubits, no podría haberse realizado sin nuestros socios en HRL y UNSW», dice Eriksson. «Hay un fuerte sentido de comunidad en la ciencia y la tecnología cuánticas, y eso realmente está impulsando el campo».

Proporcionado por Chicago Quantum Exchange