I ricercatori del MIT hanno sviluppato un processo per produrre e integrare "atomi artificiali, " creato da difetti su scala atomica in fette microscopiche di diamante, con circuiti fotonici, producendo il più grande chip quantistico del suo genere.

Il risultato "segna una svolta" nel campo dei processori quantistici scalabili, dice Dirk Englund, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica del MIT. Saranno necessari milioni di processori quantistici per costruire computer quantistici, e la nuova ricerca dimostra un modo praticabile per aumentare la produzione di processori, lui e i suoi colleghi notano.

A differenza dei computer classici, che elaborano e memorizzano informazioni utilizzando bit rappresentati da 0 e 1, i computer quantistici funzionano utilizzando bit quantistici, o qubit, che può rappresentare 0, 1, o entrambi contemporaneamente. Questa strana proprietà consente ai computer quantistici di eseguire più calcoli contemporaneamente, risolvere problemi che sarebbero intrattabili per i computer classici.

I qubit nel nuovo chip sono atomi artificiali costituiti da difetti nel diamante, che può essere stimolato con luce visibile e microonde per emettere fotoni che trasportano informazioni quantistiche. Il processo, che Englund e il suo team descrivono in Natura , è un approccio ibrido, in cui "micro chiplet quantistici" accuratamente selezionati contenenti più qubit a base di diamante sono posizionati su un circuito integrato fotonico di nitruro di alluminio.

"Negli ultimi 20 anni di ingegneria quantistica, è stata la visione definitiva produrre tali sistemi qubit artificiali a volumi paragonabili all'elettronica integrata, " Dice Englund. "Sebbene ci siano stati notevoli progressi in questo settore di ricerca molto attivo, le complicazioni di fabbricazione e materiali hanno finora prodotto solo da due a tre emettitori per sistema fotonico".

Usando il loro metodo ibrido, Englund e colleghi sono stati in grado di costruire un sistema a 128 qubit, il più grande chip integrato di fotonica atomica artificiale mai realizzato.

Controllo qualità per chiplet

Gli atomi artificiali nei chiplet sono costituiti da centri di colore in diamanti, difetti nel reticolo di carbonio del diamante in cui mancano atomi di carbonio adiacenti, con i loro spazi o riempiti da un elemento diverso o lasciati vacanti. Nei chiplet del MIT, gli elementi sostitutivi sono germanio e silicio. Ogni centro funziona come un emettitore simile ad un atomo i cui stati di spin possono formare un qubit. Gli atomi artificiali emettono particelle di luce colorate, o fotoni, che trasportano l'informazione quantistica rappresentata dal qubit.

I centri di colore del diamante producono buoni qubit a stato solido, ma "il collo di bottiglia con questa piattaforma è in realtà la costruzione di un sistema e di un'architettura del dispositivo in grado di scalare fino a migliaia e milioni di qubit, " spiega Wan. "Gli atomi artificiali sono in un cristallo solido, e la contaminazione indesiderata può influenzare importanti proprietà quantistiche come i tempi di coerenza. Per di più, variazioni all'interno del cristallo possono far sì che i qubit siano diversi l'uno dall'altro, e questo rende difficile scalare questi sistemi".

Invece di provare a costruire un grande chip quantico interamente in diamante, i ricercatori hanno deciso di adottare un approccio modulare e ibrido. "Utilizziamo tecniche di fabbricazione di semiconduttori per realizzare questi piccoli chiplet di diamante, da cui selezioniamo solo moduli qubit di altissima qualità, " dice Wan. "Quindi integriamo quei chiplet pezzo per pezzo in un altro chip che 'cabla' i chiplet insieme in un dispositivo più grande."

L'integrazione avviene su un circuito integrato fotonico, che è analogo a un circuito integrato elettronico ma utilizza fotoni anziché elettroni per trasportare informazioni. La fotonica fornisce l'architettura sottostante per instradare e commutare i fotoni tra i moduli nel circuito con bassa perdita. La piattaforma del circuito è in nitruro di alluminio, piuttosto che il tradizionale silicio di alcuni circuiti integrati.

Utilizzando questo approccio ibrido di circuiti fotonici e chiplet di diamante, i ricercatori sono stati in grado di connettere 128 qubit su un'unica piattaforma. I qubit sono stabili e longevi, e le loro emissioni possono essere sintonizzate all'interno del circuito per produrre fotoni spettralmente indistinguibili, secondo Wan e colleghi.

Un approccio modulare

Sebbene la piattaforma offra un processo scalabile per produrre chip fotonici atomici artificiali, il prossimo passo sarà "accenderlo, " per così dire, per testare le sue capacità di elaborazione.

"Questa è una prova del concetto che gli emettitori di qubit a stato solido sono tecnologie quantistiche molto scalabili, " dice Wan. "Per elaborare le informazioni quantistiche, il prossimo passo sarebbe controllare questi grandi numeri di qubit e anche indurre interazioni tra di loro".

I qubit in questo tipo di design del chip non dovrebbero necessariamente essere questi particolari centri di colore del diamante. Altri progettisti di chip potrebbero scegliere altri tipi di centri colore diamante, difetti atomici in altri cristalli semiconduttori come il carburo di silicio, alcuni punti quantici di semiconduttori, o ioni di terre rare nei cristalli. "Poiché la tecnica di integrazione è ibrida e modulare, possiamo scegliere il miglior materiale adatto ad ogni componente, piuttosto che fare affidamento sulle proprietà naturali di un solo materiale, permettendoci così di combinare le migliori proprietà di ogni materiale disparato in un unico sistema, "dice Lu.

Sarà necessario trovare un modo per automatizzare il processo e dimostrare un'ulteriore integrazione con componenti optoelettronici come modulatori e rilevatori per costruire chip ancora più grandi necessari per computer quantistici modulari e ripetitori quantistici multicanale che trasportano qubit su lunghe distanze, dicono i ricercatori.

Altri autori sul Natura carta includono ricercatori del MIT Noel H. Wan, Tsung Ju Lu, Kevin C. Chen, Michael P. Walsh, Matthew E. Trusheim, Lorenzo De Santis, Eric A. Bersin, Isaac B. Harris, Sara L. Mouradian e Ian R. Christen; con Edward S. Bielejec presso i Sandia National Laboratories.