I computer quantistici hanno il potenziale per trasformare campi come la medicina, sicurezza informatica e intelligenza artificiale risolvendo problemi di ottimizzazione difficili che sono oltre la portata dell'hardware di elaborazione convenzionale.

Ma la tecnologia per fabbricare i dispositivi su larga scala non esiste ancora.

I ricercatori dell'Università del Texas a Dallas hanno sviluppato una tecnica che potrebbe rimuovere una delle sfide per ridimensionare la produzione di dispositivi quantistici al silicio. I ricercatori hanno delineato il loro metodo, che fornisce un maggiore controllo e precisione durante il processo di fabbricazione, in uno studio pubblicato online il 28 maggio e nell'edizione cartacea di luglio del Journal of Vacuum Science &Technology B . Il silicio è il materiale preferito per la base dei dispositivi quantistici a causa della sua compatibilità con la tecnologia dei semiconduttori convenzionale.

L'autore corrispondente dello studio, Dott. Reza Moheimani, la James Von Ehr Distinguished Chair in Science and Technology e professore di ingegneria dei sistemi presso la Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science, ha ricevuto una sovvenzione del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti di $ 2,4 milioni nel 2019 per sviluppare la tecnologia per la produzione atomica precisa, il processo di costruzione di nuovi materiali e dispositivi atomo per atomo.

Il team di Moheimani sta affrontando una serie di sfide per la fabbricazione di dispositivi quantistici.

"Il nostro ultimo lavoro aumenta la precisione del processo di fabbricazione, " ha detto Moheimani. "Stiamo lavorando anche per aumentare il throughput, velocità e affidabilità."

Il metodo dei ricercatori per costruire un qubit a base di silicio, o bit quantistico, l'unità di base dell'informazione in un computer quantistico, inizia con una superficie di silicio atomicamente piatta ricoperta da uno strato di idrogeno, che impedisce ad altri atomi o molecole di essere assorbiti dalla superficie. Prossimo, i ricercatori utilizzano un microscopio a effetto tunnel (STM), che presenta una sonda con una punta atomicamente affilata, funzionando come un braccio micro-robotico, rimuovere selettivamente gli atomi di idrogeno dalla superficie. L'STM è stato progettato per l'imaging di caratteristiche atomiche su una superficie, però, i ricercatori usano anche il dispositivo per manipolare gli atomi in una modalità chiamata litografia di depassivazione dell'idrogeno (HDL).

Il processo meticoloso prevede il posizionamento della punta su un atomo di idrogeno, aggiungendo un segnale ad alta frequenza alla tensione di polarizzazione del campione di punta e aumentando l'ampiezza del segnale ad alta frequenza fino a quando l'atomo di idrogeno si stacca dalla superficie, rivelando il silicio sotto. Dopo che un numero predeterminato di atomi di idrogeno viene rimosso selettivamente dalla superficie, il gas fosfina viene immesso nell'ambiente e dopo un processo specifico, atomi di fosforo vengono adsorbiti sulla superficie, dove ciascuno funziona come un qubit.

Il problema con l'HDL convenzionale è che può essere facile per l'operatore estrarre l'atomo di idrogeno sbagliato con conseguente creazione di qubit in posizioni indesiderate. L'utilizzo di STM per HDL richiede una tensione maggiore rispetto a quella per l'imaging, che troppo spesso fa sbattere la punta contro la superficie del campione, costringendo l'operatore a ricominciare.

I ricercatori stavano lavorando alla loro soluzione al problema del tip-crash STM quando hanno scoperto un metodo più preciso per manipolare gli atomi di superficie.

"La litografia convenzionale non può raggiungere la necessaria precisione atomica, " Ha detto Moheimani. "Il problema è che stiamo usando un microscopio per fare la litografia; stiamo usando un dispositivo per fare qualcosa per cui non è progettato".

I ricercatori hanno scoperto che potevano ottenere una maggiore precisione eseguendo HDL in modalità di imaging, piuttosto che la modalità litografia convenzionale, con alcune modifiche alla tensione e una modifica al sistema di controllo del feedback dell'STM.

"Ci siamo resi conto che potevamo effettivamente utilizzare questo metodo per rimuovere gli atomi di idrogeno in modo controllato, " Ha detto Moheimani. "Questa è stata una sorpresa. È una di quelle cose che accadono durante gli esperimenti, e tu provi a spiegarlo e ad approfittarne."

I computer quantistici dovrebbero essere in grado di memorizzare più informazioni rispetto ai computer attuali. Transistor attuali, che trasmettono informazioni, non può essere ridotto, disse Hamed Alemansour, uno studente di dottorato in ingegneria meccanica e autore principale dello studio.

"Il tipo di tecnologia che viene utilizzata ora per realizzare i transistor ha raggiunto il limite. È difficile ridurne ulteriormente le dimensioni con i metodi convenzionali, " ha detto Alemannour.

Mentre un computer convenzionale utilizza i valori precisi di 1 e 0 per eseguire calcoli, le unità logiche fondamentali di un computer quantistico sono più fluide, con valori che possono esistere come una combinazione di 1 e 0 contemporaneamente o in una posizione intermedia. Il fatto che un qubit possa rappresentare due numeri contemporaneamente consente al computer quantistico di elaborare le informazioni molto più velocemente.

Una delle prossime sfide, Moheimani ha detto, sarà quello di sviluppare una tecnologia per far funzionare più puntali STM alla volta.

"E se potessimo usare 10 o 100 punte in parallelo tra loro in modo da poter fare la stessa litografia moltiplicata per 100 volte? E se potessimo farlo 10 volte più velocemente? Se potessimo produrre 100 qubit 10 volte più velocemente, siamo 1, già 000 volte meglio, " ha detto Moheimani.