Un team guidato dall'Università di Melbourne ha perfezionato una tecnica per incorporare singoli atomi in un wafer di silicio uno per uno. La loro tecnologia offre il potenziale per realizzare computer quantistici utilizzando gli stessi metodi che ci hanno fornito dispositivi convenzionali economici e affidabili contenenti miliardi di transistor.

"Potremmo 'sentire' il clic elettronico mentre ogni atomo cade in uno dei 10.000 siti nel nostro dispositivo prototipo. La nostra visione è quella di utilizzare questa tecnica per costruire un dispositivo quantistico su scala molto, molto ampia", afferma il professor David Jamieson dell'Università di Melbourne, autore principale del documento Advanced Materials che descrive il processo.

I suoi coautori provengono da UNSW Sydney, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Leibniz Institute of Surface Engineering (IOM) e RMIT Microscopy and Microanalysis Facility.

"Riteniamo che alla fine potremmo realizzare macchine su larga scala basate su bit quantici di un singolo atomo utilizzando il nostro metodo e sfruttando le tecniche di produzione che l'industria dei semiconduttori ha perfezionato", afferma.

Fino ad ora, l'impianto di atomi nel silicio è stato un processo casuale, in cui un chip di silicio viene inondato di fosforo che si impianta in uno schema casuale, come le gocce di pioggia su una finestra.

"Abbiamo incorporato ioni di fosforo, contando con precisione ciascuno di essi, in un substrato di silicio creando un "chip" di qubit, che può quindi essere utilizzato in esperimenti di laboratorio per testare progetti per dispositivi su larga scala."

"Questo ci consentirà di progettare le operazioni di logica quantistica tra grandi matrici di singoli atomi, mantenendo operazioni altamente accurate sull'intero processore", afferma il professor Andrea Morello di Scientia dell'UNSW, coautore dell'articolo. "Invece di impiantare molti atomi in posizioni casuali e selezionare quelli che funzionano meglio, ora verranno posizionati in una matrice ordinata, simile ai transistor nei chip per computer a semiconduttori convenzionali."

"Abbiamo utilizzato una tecnologia avanzata sviluppata per rivelatori di raggi X sensibili e uno speciale microscopio a forza atomica originariamente sviluppato per la missione spaziale Rosetta insieme a un modello computerizzato completo per la traiettoria degli ioni impiantati nel silicio, sviluppato in collaborazione con i nostri colleghi in Germania". afferma il dottor Alexander (Melvin) Jakob, primo autore dell'articolo, anche lui dell'Università di Melbourne.

Questa nuova tecnica può creare modelli su larga scala di atomi contati che sono controllati in modo che i loro stati quantistici possano essere manipolati, accoppiati e letti.

La tecnica sviluppata dal professor Jamieson e dai suoi colleghi sfrutta la precisione del microscopio a forza atomica, che ha un cantilever affilato che "tocca" delicatamente la superficie di un chip con una precisione di posizionamento di appena mezzo nanometro, circa la stessa del spaziatura tra gli atomi in un cristallo di silicio.

Il team ha praticato un minuscolo foro in questo cantilever, in modo che quando veniva inondato di atomi di fosforo uno occasionalmente cadeva attraverso il foro e si incastrava nel substrato di silicio.

La chiave, tuttavia, era sapere esattamente quando un atomo, e non più di uno, era stato incorporato nel substrato. Quindi il cantilever potrebbe spostarsi nella posizione successiva precisa sull'array.

Il team ha scoperto che l'energia cinetica dell'atomo mentre penetra nel cristallo di silicio e dissipa la sua energia per attrito può essere sfruttata per fare un minuscolo "clic" elettronico".

È così che sanno che un atomo si è incorporato nel silicio e si spostano nella posizione successiva precisa.

"Un atomo che entra in collisione con un pezzo di silicio fa un clic molto debole, ma abbiamo inventato un'elettronica molto sensibile utilizzata per rilevare il clic, è molto amplificato e fornisce un segnale forte, un segnale forte e affidabile", afferma il professor Jamieson.

"Questo ci permette di essere molto sicuri del nostro metodo. Possiamo dire:"Oh, c'è stato un clic. È appena arrivato un atomo." Ora possiamo spostare il cantilever nel punto successivo e aspettare il prossimo atomo."

"Con i nostri partner del centro, abbiamo già prodotto risultati rivoluzionari su qubit a singolo atomo realizzati con questa tecnica, ma la nuova scoperta accelererà il nostro lavoro su dispositivi su larga scala", afferma.

Cos'è l'informatica quantistica e perché è importante?

I computer quantistici eseguono calcoli utilizzando i vari stati dei singoli atomi nel modo in cui i computer convenzionali utilizzano i bit, l'unità di base dell'informazione digitale.

Ma mentre un bit ha solo due valori possibili - 1 o 0, vero o falso - un bit quantistico, o qubit, può essere posizionato in una sovrapposizione di 0 e 1. Coppie di qubit possono essere collocate in stati di sovrapposizione ancora più peculiari, come come "01 più 10", chiamati stati entangled. L'aggiunta di ancora più qubit crea un numero esponenzialmente crescente di stati entangled, che costituiscono un potente codice informatico che non esiste nei computer classici. Questa densità esponenziale di informazioni è ciò che offre ai processori quantistici il loro vantaggio computazionale.

Questa stranezza della meccanica quantistica di base ha un grande potenziale per creare computer in grado di risolvere alcuni problemi di calcolo che i computer convenzionali troverebbero impossibili a causa della loro complessità.

Le applicazioni pratiche includono nuovi modi per ottimizzare orari e finanze, crittografia infrangibile e progettazione computazionale di farmaci, forse anche il rapido sviluppo di nuovi vaccini.

"Se si desidera calcolare la struttura della molecola della caffeina, una molecola molto importante per la fisica, non è possibile farlo con un computer classico perché ci sono troppi elettroni", afferma il professor Jamieson.

"Tutti questi elettroni obbediscono alla fisica quantistica e all'equazione di Schrödinger. Ma se hai intenzione di calcolare la struttura di quella molecola, ci sono così tante interazioni elettrone-elettrone che anche i supercomputer più potenti del mondo oggi non possono farlo.

"Un computer quantistico potrebbe farlo, ma hai bisogno di molti qubit perché devi correggere errori casuali ed eseguire un codice computer molto complicato."

I chip di silicio contenenti array di singoli atomi droganti possono essere il materiale preferito per i dispositivi classici e quantistici che sfruttano gli spin di un singolo donatore. Ad esempio, i donatori del gruppo V impiantati in cristalli di Si purificati isotopicamente sono attraenti per i computer quantistici su larga scala. Attributi utili includono lunghe vite di spin nucleare ed elettronico di P, transizioni di clock iperfini in Bi o spin nucleari Sb controllabili elettricamente.

Architetture promettenti richiedono la capacità di fabbricare array di singoli atomi droganti vicini alla superficie con un rendimento elevato. Qui, viene impiegato un sistema di elettrodi rivelatore su chip con rumore quadratico medio di 70 eV (≈20 elettroni) per dimostrare l'impianto di singoli ioni P+ da 14 keV a temperatura ambiente vicino.

Il modello fisico per l'interazione ione-solido mostra una confidenza di rilevamento di ioni singoli nel limite superiore senza precedenti del 99,85 ± 0,02% per gli impianti vicino alla superficie. Di conseguenza, la resa pratica di drogaggio del silicio controllata è limitata da fattori di ingegneria dei materiali, inclusi gli ossidi di gate di superficie in cui gli ioni rilevati possono fermarsi.

Per un dispositivo con 6 nm di ossido di gate e impianti P+ 14 keV, è dimostrato un limite di resa del 98,1%. Gli ossidi di gate più sottili consentono a questo limite di convergere verso il limite superiore. L'impianto deterministico di un singolo ione può quindi essere una valida strategia di ingegneria dei materiali per architetture droganti scalabili nei dispositivi al silicio. + Esplora ulteriormente

È stato realizzato uno stato entangled a tre qubit in un array completamente controllabile di spin qubit in silicio