Gli ingegneri quantistici dell'UNSW Sydney hanno creato atomi artificiali nei chip di silicio che offrono una maggiore stabilità per l'informatica quantistica.

In un articolo pubblicato oggi in Comunicazioni sulla natura , I ricercatori dell'informatica quantistica dell'UNSW descrivono come hanno creato atomi artificiali in un "punto quantico" di silicio, un minuscolo spazio in un circuito quantistico in cui gli elettroni vengono utilizzati come qubit (o bit quantistici), le unità di base dell'informazione quantistica.

Il professore di Scientia Andrew Dzurak spiega che a differenza di un vero atomo, un atomo artificiale non ha nucleo, ma ha ancora gusci di elettroni che sfrecciano intorno al centro del dispositivo, piuttosto che intorno al nucleo dell'atomo.

"L'idea di creare atomi artificiali usando gli elettroni non è nuova, infatti è stato proposto per la prima volta teoricamente negli anni '30 e poi dimostrato sperimentalmente negli anni '90, anche se non nel silicio. Ne abbiamo realizzato per la prima volta una versione rudimentale in silicio nel 2013, "dice il professor Dzurak, che è un ARC Laureate Fellow ed è anche direttore dell'Australian National Fabrication Facility presso UNSW, dove è stato prodotto il dispositivo a punti quantici.

"Ma ciò che ci entusiasma davvero della nostra ultima ricerca è che gli atomi artificiali con un numero maggiore di elettroni risultano essere qubit molto più robusti di quanto si pensasse in precedenza possibile, il che significa che possono essere utilizzati in modo affidabile per i calcoli nei computer quantistici. Questo è significativo perché i qubit basati su un solo elettrone possono essere molto inaffidabili".

Chimica 101

Il professor Dzurak paragona i diversi tipi di atomi artificiali che il suo team ha creato a una sorta di tavola periodica per i bit quantistici, il che dice che è appropriato dato che il 2019, quando è stato svolto questo lavoro pionieristico, è stato l'Anno Internazionale della Tavola Periodica.

"Se ripensi alla tua lezione di scienze al liceo, potresti ricordare un grafico polveroso appeso al muro che elencava tutti gli elementi conosciuti nell'ordine di quanti elettroni avevano, partendo dall'idrogeno con un elettrone, Elio con due, Litio con tre e così via.

"Puoi anche ricordare che man mano che ogni atomo diventa più pesante, con sempre più elettroni, si organizzano in diversi livelli di orbita, noto come "conchiglie".

"Si scopre che quando creiamo atomi artificiali nei nostri circuiti quantistici, hanno anche gusci di elettroni ben organizzati e prevedibili, proprio come fanno gli atomi naturali nella tavola periodica."

Unisci i punti

Il professor Dzurak e il suo team della School of Electrical Engineering dell'UNSW, incluso il Ph.D. lo studente Ross Leon che è anche autore principale della ricerca, e il Dr. Andre Saraiva—ha configurato un dispositivo quantistico in silicio per testare la stabilità degli elettroni negli atomi artificiali.

Hanno applicato una tensione al silicio tramite un elettrodo "gate" di superficie metallica per attirare gli elettroni di riserva dal silicio per formare il punto quantico, uno spazio infinitamente piccolo di soli 10 nanometri di diametro.

"Mentre aumentavamo lentamente la tensione, attireremmo nuovi elettroni, uno dopo l'altro, per formare un atomo artificiale nel nostro punto quantico, "dice il dottor Saraiva, che ha condotto l'analisi teorica dei risultati.

"In un vero atomo, hai una carica positiva nel mezzo, essendo il nucleo, e quindi gli elettroni caricati negativamente sono tenuti attorno ad esso in orbite tridimensionali. Nel nostro caso, piuttosto che il nucleo positivo, la carica positiva proviene dall'elettrodo di gate che è separato dal silicio da una barriera isolante di ossido di silicio, e poi gli elettroni sono sospesi sotto di esso, ciascuno orbitante intorno al centro del punto quantico. Ma invece di formare una sfera, sono disposti in piano, in un disco."

Signor Leone, chi ha condotto gli esperimenti, dice che i ricercatori erano interessati a cosa è successo quando un elettrone in più ha iniziato a popolare un nuovo guscio esterno. Nella tavola periodica, gli elementi con un solo elettrone nei loro gusci esterni includono l'idrogeno e i metalli litio, Sodio e Potassio.

"Quando creiamo l'equivalente dell'idrogeno, Litio e Sodio nel punto quantico, siamo fondamentalmente in grado di usare quell'elettrone solitario sul guscio esterno come un qubit, " dice Rossi.

"Fino ad ora, le imperfezioni nei dispositivi al silicio a livello atomico hanno interrotto il modo in cui si comportano i qubit, portando a operazioni inaffidabili ed errori. Ma sembra che gli elettroni extra nei gusci interni agiscano come un "innesco" sulla superficie imperfetta del punto quantico, appianando le cose e dando stabilità all'elettrone nel guscio esterno."

Guarda il giro

Raggiungere la stabilità e il controllo degli elettroni è un passo cruciale affinché i computer quantistici basati sul silicio diventino una realtà. Laddove un computer classico utilizza "bit" di informazione rappresentati da uno 0 o da un 1, i qubit in un computer quantistico possono memorizzare i valori di 0 e 1 contemporaneamente. Ciò consente a un computer quantistico di eseguire calcoli in parallelo, piuttosto che uno dopo l'altro come farebbe un computer convenzionale. La potenza di elaborazione dei dati di un computer quantistico aumenta quindi esponenzialmente con il numero di qubit che ha a disposizione.

È lo spin di un elettrone che usiamo per codificare il valore del qubit, spiega il professor Dzurak.

"Lo spin è una proprietà della meccanica quantistica. Un elettrone si comporta come un minuscolo magnete e, a seconda del modo in cui ruota, il suo polo nord può puntare verso l'alto o verso il basso, corrispondente a 1 o 0.

"Quando gli elettroni in un atomo reale, o i nostri atomi artificiali, formare un guscio completo, allineano i loro poli in direzioni opposte in modo che lo spin totale del sistema sia zero, rendendoli inutili come qubit. Ma quando aggiungiamo un altro elettrone per iniziare un nuovo guscio, questo elettrone in più ha uno spin che ora possiamo usare di nuovo come qubit.

"Il nostro nuovo lavoro mostra che possiamo controllare lo spin degli elettroni nei gusci esterni di questi atomi artificiali per darci qubit affidabili e stabili.

"Questo è davvero importante perché significa che ora possiamo lavorare con qubit molto meno fragili. Un elettrone è una cosa molto fragile. Tuttavia un atomo artificiale con 5 elettroni, o 13 elettroni, è molto più robusto."

Il vantaggio del silicio

Il gruppo del professor Dzurak è stato il primo al mondo a dimostrare la logica quantistica tra due qubit nei dispositivi al silicio nel 2015, e ha anche pubblicato un progetto per un'architettura di chip di computer quantistico su vasta scala basata sulla tecnologia CMOS, che è la stessa tecnologia utilizzata per produrre tutti i chip dei computer moderni.

"Utilizzando la tecnologia CMOS al silicio possiamo ridurre significativamente i tempi di sviluppo dei computer quantistici con i milioni di qubit che saranno necessari per risolvere problemi di importanza globale, come la progettazione di nuovi farmaci, o nuovi catalizzatori chimici per ridurre il consumo di energia", dice il professor Dzurak.

In continuità con quest'ultima svolta, il gruppo esplorerà come le regole del legame chimico si applicano a questi nuovi atomi artificiali, creare "molecole artificiali". Questi verranno utilizzati per creare porte logiche multi-qubit migliorate necessarie per la realizzazione di un computer quantistico al silicio su larga scala.