Qubit de elétron no silício impulsiona computação quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica -  14/06/2016

Meenakshi Singh segurando seu "chip quântico", microfotografias e esquema do dispositivo. [Imagem: Randy Montoya/Meenakshi Singh et al. 10.1063/1.4940421]

Átomo doador

Pesquisadores dos Laboratórios Sandia, nos EUA, construíram um aparato prático e incrivelmente simples que permite explorar o uso de elétrons como qubits - os bits dos computadores quânticos.

A grande vantagem é que tudo é feito sobre uma pastilha de silício comum, do mesmo tipo usado para fazer todo tipo de circuito integrado.

A técnica consiste em usar um feixe de íons para injetar com precisão um átomo "doador" na pastilha de silício.

Esse átomo doador - neste caso um átomo de antimônio (Sb) - possui um elétron a mais (cinco) do que os átomos de silício (quatro). Como os elétrons se emparelham, um elétron do átomo de antimônio fica livre, podendo então ser usado como qubit.

Matriz de qubits

A equipe usou um campo magnético embutido na própria pastilha de silício para alterar e monitorar o estado do spin do elétron livre. Como o spin pode apontar para cima ou para baixo, é possível usá-lo como um bit.

De acordo com Meenakshi Singh, responsável pelo experimento, como a técnica é simples e direta, usando equipamentos largamente disponíveis, o próximo passo natural será injetar uma matriz de átomos doadores, de forma a compor um conjunto de qubits de alta densidade.

Isso deverá ser possível graças à alta precisão obtida nos experimentos, já que os elétrons vizinhos deverão ficar a uma distância muito definida uns dos outros, uma distância que não seja pequena demais para que um interfira aleatoriamente com o outro, e nem grande demais que impeça que eles troquem informações sob controle externo.

Transístor de ponto quântico

O experimento é ainda mais interessante porque o campo magnético usado para controlar o qubit vem de um ponto quântico pré-incorporado no silício. O ponto quântico - em si um pequeno mar de elétrons - contém uma variedade de níveis de energia e funciona como um transístor para bloquear ou deixar passar o qubit.

Se um nível de energia disponível no ponto quântico for compatível com o elétron, o transístor fica efetivamente aberto e o elétron salta para o ponto. Se não, o qubit fica em seu lugar.

Esse movimento é acompanhado por um fotodiodo sensível ao fluxo de corrente, em vez de ao movimento de fótons. Devido às múltiplas "portas" (níveis de energia) do ponto quântico, vários qubits em diferentes níveis de energia podem passar através do transístor - ou serem bloqueados -, teoricamente possibilitando que uma gama extremamente ampla de informações seja processada.

Bibliografia:

Electrostatically defined silicon quantum dots with counted antimony donor implants
Meenakshi Singh, J. L. Pacheco, D. Perry, E. Garratt, G. Ten Eyck, N. C. Bishop, J. R. Wendt, R. P. Manginell, J. Dominguez, T. Pluym, D. R. Luhman, E. Bielejec, M. P. Lilly, M. S. Carroll
Journal of Chemical Physics
Vol.: 108, 062101
DOI: 10.1063/1.4940421