(a) Imagem eletrônica de varredura de um dos transistores. Quatro pontos quânticos podem ser formados no silício (cinza escuro), usando quatro fios de controle independentes (cinza claro). Esses fios são os botões de controle que ativam as portas lógicas quânticas. (b) Esquema do dispositivo de matriz bidimensional, cada qubit representado por um círculo vermelho, que pode interagir com seu vizinho mais próximo na rede bidimensional.
[Imagem: Fabio Ansaloni]

Transístor como qubit

Um grupo de consórcio de empresas e universidades da Europa, parece ter guardado o presente de Natal para o mundo da tecnologia da informação para depois das festas.

Essa equipe conseguiu usar transistores eletrônicos comuns, feitos de silício, como qubits (um bit quântico, ou qubit (às vezes qbit) ['kju. bɪt] ou [k'bɪt] é uma unidade de informação quântica. Esta informação é descrita por um vetor de estado em um sistema de mecânica quântica de dois níveis o qual é normalmente equivalente a um vetor de espaço bidimensional sobre números complexos), para computadores quânticos.

Ainda é apenas uma demonstração de conceito, mas é um salto qualitativo sem precedentes rumo a processadores quânticos viáveis, técnica e economicamente, e que possam conter um número de qubits suficiente para não deixar margens a dúvidas quanto à supremacia quântica.

Usando pastilhas com transistores comuns, fabricadas pela empresa francesa Leti, pesquisadores da Universidade de Copenhagen confirmaram que os transistores presentes nas pastilhas, produzidos industrialmente, são adequados como uma plataforma de qubits e, mais do que isso, uma plataforma que já se demonstrou operacional.


Transístor como qubit

A equipe já havia construído em laboratório um qubit usando um transístor operando com um único elétron, porém agora, além de passarem para o nível industrial, eles saltaram para a segunda dimensão, criando uma matriz de qubits, que podem então ser postos para operar conjuntamente.

Na verdade, o transístor funciona como um ponto quântico, só que um ponto quântico cujo controle é bem conhecido da indústria microeletrônica - o controle é feito por sinais elétricos transmitidos por eletrodos comuns, e não por campos magnéticos.

"O que demonstramos é que podemos realizar o controle de um único elétron em cada um desses pontos quânticos. Isso é muito importante para o desenvolvimento de um qubit, porque uma das maneiras possíveis de fazer qubits é usar o spin de um único elétron. Portanto, atingir esse objetivo de controlar os elétrons individuais e fazer isso em uma matriz 2D de pontos quânticos foi muito importante para nós," disse o pesquisador Fabio Ansaloni.


Três configurações duplas dos qubits (cada ponto vermelho representa um elétron).
[Imagem: Fabio Ansaloni et al. - 10.1038/s41467-020-20280-3]

Qubits de elétrons

Usar o spin dos elétrons como qubit se mostrou um caminho promissor porque a natureza "silenciosa" dos spins faz com que eles fiquem quase imunes a interações com o ambiente, um requisito importante para obter qubits de alto desempenho, que não percam os dados facilmente.

Além disso, construir fileiras de qubits interagentes, em vez de qubits individuais, é essencial para uma implementação mais eficiente das rotinas de correção de erros, a correção de erros quânticos permitirá que os futuros computadores quânticos sejam tolerantes a falhas de qubit individuais durante os cálculos.

Outro destaque do avanço é o fato de que os pesquisadores partiram de uma pastilha produzida industrialmente para fabricar seus qubits. Isso é muito diferente do que a maioria das outras equipes que lidam com computação quântica está fazendo, criando seus qubits em laboratório, e só depois se preocupando se eles poderão ser fabricados industrialmente.

"Em primeiro lugar, produzir os componentes em uma fundição industrial é uma necessidade. A escalabilidade de um processo industrial moderno é essencial à medida que começamos a fazer matrizes maiores, por exemplo, para pequenos simuladores quânticos. Em segundo lugar, ao fazer um computador quântico, você precisa de uma matriz em duas dimensões, e você precisa de uma maneira de conectar o mundo externo a cada qubit. Se você tiver 4, 5 conexões para cada qubit, rapidamente acabará com um número irreal de fios saindo da configuração de baixa temperatura. Mas o que conseguimos mostrar é que podemos ter uma porta por elétron, e você pode ler e controlar com a mesma porta. E, por último, usando essas ferramentas, fomos capazes de mover e trocar elétrons únicos de forma controlada em torno da matriz, um desafio por si só," resumiu a professora Anasua Chatterjee, uma das coordenadoras do consórcio.


Portas simples e duplas

O resultado apresentado mostra que agora é possível controlar elétrons individuais e realizar o experimento na ausência de um campo magnético.

O próximo passo será lidar com os spins na presença de um campo magnético. Isso será essencial para implementar portas de um e dois qubits usando cada um dos qubits da fileira.

A teoria tem mostrado que um punhado de portas qubit simples e duplas, conhecidas como um "conjunto completo de portas quânticas", são suficientes para permitir a computação quântica universal, ou seja, processadores quânticos não-dedicados, que possam ser programados para realizar qualquer computação, como os computadores eletrônicos atuais.


Bibliografia:

Artigo: Single-electron operations in a foundry-fabricated array of quantum dots

Autores: Fabio Ansaloni, Anasua Chatterjee, Heorhii Bohuslavskyi, Benoit Bertrand, Louis Hutin, Maud Vinet, Ferdinand Kuemmeth

Revista: Nature Communications

Vol.: 11, Article number: 6399

DOI: 10.1038/s41467-020-20280-3

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