Un grup de cercetători de la UNSW a demonstrat comunicarea cuantică între nuclee atomice integrate într-un cip de siliciu. Experimentele folosesc spinul nucleelor de fosfor pentru a crea stări corelate profund, un pas important în dezvoltarea calculatoarelor cuantice compatibile cu tehnologia curentă.
Metoda experimentală pentru îmbinarea nucleelor în cipuri de siliciu
Echipa a folosit spinul nuclear al atomilor de fosfor implantaţi într-un strat pur de siliciu pentru a stoca informaţie cuantică. Această abordare pune în valoare cele mai izolate obiecte din starea solidă, adică nuclee atomice cu coerenţă lungă. Cercetătorii au găsit o modalitate de a conecta două nuclee aflate la circa 20 nanometri distanţă. Pe scară practică, această distanţă se aliniază cu procesele de fabricaţie utilizate azi în industria semiconductorilor. Publicarea în revista Science semnalează importanţa progresului pentru construirea de procesoare cuantice pe bază de siliciu.
Provocarea principală în domeniu a fost întotdeauna echilibrul între izolare şi interacţiune. Nuclee foarte izolate păstrează starea cuantică pe perioade lungi, dar sunt greu de conectat între ele. Soluţia propusă de echipa UNSW trece peste această limitare prin utilizarea electronilor ca mediatori mobili. Electronii pot "întinde" spaţial starea lor cuantică şi astfel pot facilita schimbul de informaţie între nuclee la distanţe utile pentru integrare industrială.
Grupul condus de Andrea Morello şi colaborările cu Univ. Melbourne şi Keio au demonstrat că este posibilă menţinerea coerenţei pentru perioade comparabile cu cele necesare operaţiilor logice şi cu erori foarte mici. Această compatibilitate cu procesele de fabricaţie existente face tehnologia promiţătoare pentru scalare. În plus, abilitatea de a controla electronii şi de a forma aranjamente alungite deschide calea către reţele mai mari de nuclee interconectate.
Electronii ca legătură esenţială între nuclee atomice
Mecanismul utilizat implică electroni care leagă două nuclee prin interacţiuni indirecte. Electronii îşi pot extinde influenţa spaţială şi pot stabili o comunicare precisă între nuclee individuale. Această strategie aminteşte de un sistem în care participanţii rămân izolaţi dar comunică prin canale controlabile. Avantajul major este că electronii pot fi modelaţi şi deplasaţi rapid, permiţând activarea şi dezactivarea interacţiilor la timp precis.
Aplicabilitatea la 20 nanometri este semnificativă deoarece aceasta este o scară folosită deja în procesoarele comerciale. Folosirea unor procedee şi materiale familiare reduce barierele tehnice pentru transferul către linii de producţie. În plus, metoda promite robusteţe şi posibilitatea adăugării de mai mulţi electroni pentru extinderea reţelei cuantice fără pierderea izolării nucleelor.
„Am reuşit să conectăm nucleele cele mai izolate la scara tehnologiei moderne a siliciului.”
- Compatibilitate cu procesele industriale ale semiconductorilor
- Comunicare la distanţe de aproximativ 20 nanometri între nuclee
- Electronii funcţionează ca mediatori mobili pentru interacţiuni cuantice
Implicaţii şi paşi următori pentru calculul cuantic pe bază de siliciu
Rezultatul reprezintă un pas clar către procesoare cuantice scalabile construite cu echipamente deja folosite în industrie. Pe termen scurt, cercetătorii trebuie să extindă numărul de nuclee interconectate şi să menţină ratele mici de eroare în operaţii logice. De asemenea, optimizarea controlului electronilor şi integrarea cu circuite de citire vor fi esenţiale pentru hardware-ul viitor.
Pe termen lung, compatibilitatea cu lanţurile de fabricaţie ale semiconductorilor reduce costul şi complexitatea tranziţiei de la prototipuri la sisteme utile. Progresele în stiinta materialelor şi în ingineria electronilor vor accelera dezvoltarea. Deocamdată, demonstraţia arată clar că o arhitectură bazată pe nuclee de fosfor în siliciu este o opţiune viabilă pentru calculatoarele cuantice care vor urma.
Sursa: sciencedaily.com