Las computadoras cuánticas son capaces de resolver problemas complejos de salud humana, descubrimiento de fármacos e inteligencia artificial millones de veces más rápido que algunas de las supercomputadoras más rápidas del mundo. Una red de computadoras cuánticas podría hacer que estos descubrimientos sean aún más rápidos. Pero antes de que eso pueda suceder, la industria informática necesitará una forma confiable de combinar miles de millones de qubits (o bits cuánticos) con precisión atómica.
Sin embargo, conectar qubits ha sido un desafío para la comunidad de investigación. Algunos métodos crean qubits colocando una oblea de silicio entera en un horno de recocido de alta velocidad a temperaturas muy altas. Con estos métodos, los qubits se generan aleatoriamente a partir de defectos (también conocidos como centros de color o emisores cuánticos) en la red cristalina del silicio. Y sin saber dónde se encuentran los qubits en una sustancia, sería difícil realizar una computadora cuántica de qubits entrelazados.
Pero ahora, pronto será posible lograr que los qubits se comuniquen. Un equipo de investigación liderado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) afirma haber sido el primero en utilizar un láser de femtosegundo para crear y “aniquilar” qubits bajo demanda, y con precisión, dopando el silicio con hidrógeno.
El avance permitirá que las computadoras cuánticas que utilizan qubits ópticos programables o “qubits de fotones giratorios” conecten nodos cuánticos en una red remota. También podría promover una Internet cuántica que no sólo sea más segura sino que pueda transmitir más datos que las tecnologías de información de fibra óptica existentes.
“Para construir una arquitectura o red cuántica escalable, necesitamos qubits que puedan crearse de manera confiable bajo demanda en las ubicaciones deseadas, de modo que sepamos dónde están ubicados los qubits en un material. Y por eso nuestro punto de vista es importante”, dijo Kaushalya Jhoria. Becario postdoctoral en la División de Física Aplicada y Tecnología de Aceleradores (ATAP) del Berkeley Lab. Ella es la primera autora de un nuevo estudio que describe la técnica en la revista. Comunicaciones de la naturaleza. “Porque una vez que sabemos dónde se encuentra un qubit en particular, podemos determinar cómo conectar ese qubit a otros componentes del sistema y crear una red cuántica”.
“Esto podría abrir una nueva vía potencial para que la industria supere los desafíos en la fabricación de qubits y el control de calidad”, dijo el investigador principal Thomas Schenkel, jefe del Programa de Ciencia de Fusión y Tecnología de Haz de Iones de la División ATAP del Laboratorio de Berkeley. Su grupo recibirá a la primera cohorte de estudiantes de la Universidad de Hawaii en junio como parte del Proyecto RENEW sobre Desarrollo de la Fuerza Laboral, financiado por DOE Fusion Energy Sciences, donde los estudiantes se sumergirán en la ciencia y la tecnología de Color Center/Cubit.
Creando qubits en silicio con control programable
El nuevo método utiliza una atmósfera de gas para crear defectos programables llamados “centros de anillo” en el silicio. Estos centros de colores son candidatos para qubits de telecomunicaciones especiales o “qubits de fotones de espín”. El método también utiliza un láser de femtosegundo ultrarrápido para recocer el silicio con precisión milimétrica donde estos qubits deben formarse con precisión. Un láser de femtosegundo emite pulsos muy cortos de energía del tamaño de una mota de polvo a un objetivo enfocado en una billonésima de segundo.
Los qubits de fotones de espín emiten fotones que pueden transportar información codificada en espín de electrones a largas distancias: propiedades ideales para respaldar una red cuántica segura. Los qubits son los componentes más pequeños de un sistema de información cuántica que codifica datos en tres estados diferentes: 1, 0 o una superposición que es todo lo que está entre 1 y 0.
Con la ayuda de Boubacar Kanté, científico de la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio de Berkeley y profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación (EECS) en UC Berkeley, el equipo utilizó un detector de infrarrojo cercano para medir sus propiedades ópticas (fotoluminiscencia). Los centros de color resultantes se pueden resaltar. Señales.
Lo que descubrieron los sorprendió: un emisor cuántico llamado C.I centro Debido a su estructura simple, estabilidad a temperatura ambiente y propiedades de giro, CI El centro es un interesante candidato a qubit de fotones de espín que emite fotones en la banda de telecomunicaciones. “Descubrimos en la literatura que CI se puede formar en silicio, pero realmente no esperábamos que este nuevo qubit de fotones de espín fuera un candidato según nuestro enfoque”, dijo Juria.
Los investigadores descubrieron que procesar silicio con un láser de baja intensidad de femtosegundos en presencia de hidrógeno ayudó a crear C.I centros de color. Otros experimentos demostraron que aumentar la intensidad del láser podría aumentar la movilidad del hidrógeno, lo que desactiva los centros de color no deseados sin dañar la red de silicio, explicó Schenkel.
Un análisis teórico realizado por el científico Liang Tan de la Fundición Molecular del Laboratorio Berkeley muestra que el brillo del SiI El cromóforo aumenta en varios órdenes de magnitud en presencia de hidrógeno, lo que confirma sus observaciones en experimentos de laboratorio.
“Los pulsos de láser de femtosegundos pueden expulsar átomos de hidrógeno o traerlos de vuelta, permitiendo la formación practicable de qubits ópticos deseados en ubicaciones precisas”, dijo Joria.
El equipo planea utilizar esta técnica para integrar qubits ópticos en dispositivos cuánticos, como cavidades reflectantes y guías de ondas, y descubrir nuevos candidatos a qubits de fotones de espín con propiedades adecuadas para aplicaciones seleccionadas.
“Ahora que podemos crear centros coloreados de manera confiable, queremos lograr que diferentes qubits se comuniquen entre sí (una encarnación del entrelazamiento cuántico) y ver cuáles funcionan mejor. Esto es sólo el comienzo”, dijo Juria.
“La capacidad de crear qubits en ubicaciones programables en materiales como el silicio que están disponibles a escala es un paso emocionante hacia la computación y la creación de redes cuánticas prácticas”, dijo el director de la división ATAP, Cameron Geddes.
El análisis teórico para el estudio se realizó en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) del Departamento de Energía en Berkeley Lab con el apoyo del programa NERSC QIS@Perlmutter.
Molecular Foundry y NERSC Berkeley Lab son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias de la Energía de Fusión del DOE.
