Las computadoras cuánticas pueden 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 facilitar estos descubrimientos aún más rápido. Pero antes de que eso suceda, la industria informática necesitará una forma confiable de conectar miles de millones de qubits, o bits cuánticos, con precisión atómica.

Sin embargo, conectar qubits ha resultado difícil para la comunidad investigadora. Algunos métodos crean qubits colocando toda la oblea de silicio en un horno instantáneo a temperaturas muy altas. Con estas técnicas, los qubits se forman aleatoriamente a partir de defectos (también conocidos como centros de color o emisores cuánticos) en la red cristalina de silicio. Y sin saber exactamente dónde se encuentran los qubits en el material, será difícil realizar una computadora cuántica de qubits conectada.

Pero ahora pronto será posible conectar qubits. Un equipo de investigación dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) dice que son los primeros en utilizar un láser de femtosegundo para crear y «destruir» qubits a pedido y con precisión al alear silicio con hidrógeno.

Este progreso podría permitir que las computadoras cuánticas que utilizan qubits ópticos programables o «qubits de fotones giratorios» conecten nodos cuánticos en una red remota. También podría conducir a una Internet cuántica que no sólo sea más segura sino que también podría transmitir más datos que las actuales tecnologías de información de fibra óptica.

«Para construir una arquitectura o red cuántica escalable, necesitamos qubits que puedan formarse de manera confiable según demanda en las ubicaciones deseadas, de modo que sepamos dónde está el qubit en el material. Y es por eso que nuestro enfoque es fundamental», dijo Kaushalya Jhuria. , postdoctorado en Tecnología de Aceleradores y Física Aplicada (ATAP) del Laboratorio de Berkeley. Ella es la primera autora de un nuevo estudio que describe la técnica en una revista. Conexiones con la naturaleza. «Porque una vez que sabemos dónde está un qubit en particular, podemos determinar cómo conectar ese qubit a otros componentes del sistema y crear una red cuántica».

«Esto podría potencialmente abrir un nuevo camino para que la industria supere los desafíos de la producción 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 en la división ATAP del Laboratorio de Berkeley. En junio, su grupo recibirá al primer grupo de estudiantes de la Universidad de Hawaii como parte del proyecto RENEW, financiado por DOE Fusion Energy Sciences, sobre desarrollo de la fuerza laboral, que sumergirá a los estudiantes en la ciencia y tecnología de los centros de color/qubit.

Creando qubits en silicio con control programable

El nuevo método utiliza un entorno gaseoso para formar defectos programables llamados «centros de color» en el silicio. Estos centros de color son candidatos para qubits de telecomunicaciones especiales, o «qubits de fotones giratorios». 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 en cuatrillonésimas de segundo a un objetivo enfocado del tamaño de una mota de polvo.

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 cuántico que codifican datos en tres estados diferentes: 1, 0 o una superposición, que es todo lo que va del 1 al 0.

Con la ayuda de Boubacar Kanté, miembro de la facultad del Departamento de Ciencia de Materiales del Laboratorio de Berkeley y profesor de ingeniería eléctrica e informática (EECS) en UC Berkeley, el equipo utilizó un detector de infrarrojo cercano para caracterizar los centros de color resultantes examinando su óptico (fotoluminiscencia). ) señales.

Lo que descubrieron los sorprendió: un emisor cuántico llamado Ci centro. Debido a su estructura simple, estabilidad a temperatura ambiente y prometedoras propiedades centrífugas, Ci El centro es un candidato interesante para qubits de fotones de espín que emiten fotones en la banda de telecomunicaciones. «Sabíamos por la literatura que Ci «Se puede fabricar en silicio, pero no esperábamos crear este nuevo candidato a qubit de fotones de espín con nuestro enfoque», dijo Jury.

Los investigadores descubrieron que el tratamiento del silicio con un láser de femtosegundo de baja intensidad en presencia de hidrógeno ayudó a crear Ci centros de color. Otros experimentos demostraron que aumentar la intensidad del láser puede aumentar la movilidad del hidrógeno, lo que pasiva los centros de color no deseados sin dañar la red de silicio, explicó Schenkel.

Un análisis teórico realizado por el científico del personal de Berkeley Lab Molecular Foundry, Liang Tan, muestra que el brillo de Ci el centro de color 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 eliminar o derribar átomos de hidrógeno, lo que permite la formación programable de los qubits ópticos deseados en ubicaciones precisas», dijo Jury.

El equipo planea utilizar esta técnica para integrar qubits ópticos en dispositivos cuánticos, como cavidades reflectantes y guías de ondas, y descubrir nuevos candidatos para qubits de fotones de espín con propiedades optimizadas para aplicaciones seleccionadas.

«Ahora que podemos crear centros de color de manera confiable, queremos que diferentes qubits hablen entre sí (el epítome del entrelazamiento cuántico) y ver cuáles funcionan mejor. Esto es sólo el comienzo», dijo Jury.

«La capacidad de construir qubits en ubicaciones programables en un material como el silicio que está disponible 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 del 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 son espacios para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Berkeley Lab.

Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias de la Energía de Fusión del DOE.



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