Utilizzando i transistor come qubit, alcuni ricercatori sostenuti dall’UE hanno raggiunto un’importante pietra miliare nel tentativo di rendere possibile la produzione industriale di processori quantistici.
In tutto il mondo, è scattata la gara per creare computer quantistici in grado di soddisfare le esigenze della scienza e dell’industria del futuro.
Per raggiungere questo obiettivo, la tecnologia quantistica deve essere ampliata in modo tale da progredire oltre i computer quantistici su piccola scala, attualmente realizzati solo in ambienti accademici controllati.
Tuttavia, la fragilità dei bit quantistici, l’unità di base delle informazioni in un computer quantistico nota anche come qubit, ha finora rappresentato un ostacolo alla scalabilità.
Un gruppo di ricerca dell’Università di Copenaghen, in Danimarca, e l’istituto di ricerca tecnologica francese CEA-Leti, hanno ora proposto un nuovo metodo che consentirà la produzione industriale di processori quantistici basati su spin di elettroni.
Supportati dai progetti QLSI, MOS-QUITO e Spin-NANO, finanziati dall’UE, il gruppo di ricerca ha scoperto che i normali transistor presenti in tutti i nostri telefoni cellulari potrebbero essere utilizzati come qubit.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Nature Communications.
L’importanza delle matrici 2D
Un aspetto importante di questa ricerca è stato lo sviluppo di una matrice 2D di punti quantici, cristalli semiconduttori di dimensioni nanometriche in grado di trasportare elettroni.
I punti quantici rappresentano una soluzione efficace per controllare lo spin di un singolo elettrone.
«Quello che abbiamo dimostrato è che possiamo realizzare il controllo di un singolo elettrone in ognuno di questi punti quantici», ha spiegato il primo autore Fabio Ansaloni dell’Università di Copenaghen «Questo è molto importante per lo sviluppo di un qubit, perché uno dei modi possibili per realizzare qubit è utilizzare lo spin di un singolo elettrone. Quindi raggiungere questo obiettivo di controllare i singoli elettroni e di farlo in una matrice 2D di punti quantici è stato molto importante per noi». Con le matrici 2D, è possibile compiere progressi significativi verso la correzione degli errori nel calcolo quantistico.
Computer quantistici scalabili
a Foundry-fabricated undoped silicon channel connected to reservoirs (dark gray), with four gate electrodes (light gray). This SEM image shows a device from a different fabrication run without backend16. b Device schematic for the example of a few-electron double dot underneath gates G1 and G4, induced by appropriate control voltages V1–4. Each of the three qubit dots (dot 1 indicated in red) capacitively couples to the sensor dot (black), which can be monitored using RF reflectometry off an inductor (L) wirebonded to G4. c, d Charge stability diagram of the double quantum dot in b, acquired at fixed source–drain bias V = −3 mV. Source–drain current I and demodulated reflectometry voltage VH measured simultaneously as a function of V1 and V4. The dotted white line defines a compensated voltage Vc1 that controls the chemical potential of dot 1 without affecting the chemical potential of dot 4. Control voltages Vc1,2,3 for other dot configurations are established analogously.
I ricercatori utilizzano metodi di fabbricazione di transistor al silicio per creare qubit abilitati per punti quantici.
Nel loro articolo, essi dimostrano le occupazioni di un singolo elettrone in tutti e quattro i punti quantici di un dispositivo in silicio diviso 2 x 2, fabbricato interamente mediante processi di fonderia di wafer da 300 mm.
Come afferma il gruppo di ricerca nell’articolo pubblicato su Phys.org, «In primo luogo, produrre i dispositivi in una fonderia industriale è una necessità. La scalabilità di un moderno processo industriale è essenziale quando si inizia a realizzare matrici più grandi, ad esempio per piccoli simulatori quantistici. In secondo luogo, quando si crea un computer quantistico, è necessaria una matrice in due dimensioni e un modo per collegare il mondo esterno a ciascun qubit.
Se si hanno 4-5 collegamenti per ogni qubit, ci si ritroverà rapidamente con un numero irrealistico di fili che fuoriescono dalla configurazione a bassa temperatura. Ma quello che siamo riusciti a dimostrare è che possiamo avere un unico gate per elettrone e che è possibile leggere e controllare con lo stesso gate. Infine, utilizzando questi strumenti siamo stati in grado di spostare e scambiare singoli elettroni in modo controllato attorno alla matrice, una sfida in sé e per sé».
La prima autrice Anasua Chatterjee, dell’Università di Copenaghen, ha riconosciuto il «generoso finanziamento» dell’UE attraverso i progetti QLSI (Quantum Large Scale Integration in Silicon), MOS-QUITO (MOS-based Quantum Information TechnOlogy) e Spin-NANO (Nanoscale solid-state spin systems in emerging quantum technologies). «Le matrici bidimensionali sono un obiettivo davvero grande, perché inizia a sembrare qualcosa di assolutamente necessario per costruire un computer quantistico», ha concluso Chatterjee.
a cura della Redazione
Pubblicazioni della ricerca
https://www.nature.com/articles/s41467-020-20280-3
https://phys.org/news/2020-12-important-milestone-creation-quantum.html
Siti del progetto
http://spin-nano.sites.sheffield.ac.uk/
Spin-Nano
