Chip de silício ultrapuro desencadeia uma revolução na computação quântica

Uma colaboração entre as Universidades de Melbourne e Manchester levou a um método inovador para a produção de silício ultrapuro, aumentando o potencial para computadores quânticos escaláveis ​​e precisos. Esta técnica amplia a coerência quântica, reduzindo significativamente os erros de computação e permitindo cálculos complexos que superam os computadores tradicionais.

Pesquisadores das Universidades de Melbourne e Manchester inventaram uma técnica inovadora para a fabricação de silício altamente purificado que aproxima os poderosos computadores quânticos. A nova técnica para projetar silício ultrapuro torna-o o material perfeito para fabricar computadores quânticos em escala e com alta

precisão

Quão próximo o valor medido está em conformidade com o valor correto.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">precisãodizem os pesquisadores.

Melhorando a Coerência Quântica

O coorientador do projeto, Professor David Jamieson, da Universidade de Melbourne, disse que a inovação – publicada hoje (7 de maio de 2024) em Matéria de Comunicaçãoiaisa Natureza revista – usa qubits de átomos de fósforo implantados em cristais de silício puro e estável e pode superar uma barreira crítica para

Computação quântica

Realização de computação usando fenômenos da mecânica quântica, como superposição e emaranhamento.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">computação quântica ao prolongar a duração de situações notoriamente frágeis coerência quântica. “A coerência quântica frágil significa que os erros de computação se acumulam rapidamente. Com a coerência robusta fornecida pela nossa nova técnica, os computadores quânticos poderiam resolver em horas ou minutos alguns problemas que levariam séculos aos computadores convencionais ou “clássicos” – até mesmo aos supercomputadores”, disse o professor Jamieson.

Um qubit - como um núcleo atômico, elétron ou

fóton

Um fóton é uma partícula de luz. É a unidade básica da luz e de outras radiações eletromagnéticas e é responsável pela força eletromagnética, uma das quatro forças fundamentais da natureza. Os fótons não têm massa, mas têm energia e momento. Eles viajam à velocidade da luz no vácuo e podem ter diferentes comprimentos de onda, que correspondem a diferentes cores de luz. Os fótons também podem ter energias diferentes, que correspondem a diferentes frequências de luz.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">fóton – é um objeto quântico quando está em uma superposição quântica de múltiplos estados. A coerência é perdida quando o qubit reverte para um estado único e se torna um objeto clássico como um bit de computador convencional, que é sempre apenas um ou zero e nunca está em superposição.

Bits quânticos ou qubits – os blocos de construção dos computadores quânticos – são suscetíveis a pequenas mudanças no seu ambiente, incluindo flutuações de temperatura. Mesmo quando operado em refrigeradores tranquilos perto

zero absoluto

O zero absoluto é a temperatura teórica mais baixa na escala de temperatura termodinâmica. A esta temperatura, todos os átomos de um objeto estão em repouso e o objeto não emite nem absorve energia. O valor acordado internacionalmente para esta temperatura é −273,15 °C (−459,67 °F; 0,00 K).

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">zero absoluto (menos 273 graus

Celsius

A escala Celsius, também conhecida como escala centígrada, é uma escala de temperatura que leva o nome do astrônomo sueco Anders Celsius. Na escala Celsius, 0°C é o ponto de congelamento da água e 100°C é o ponto de ebulição da água a 1 atm de pressão.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">Celsius), os computadores quânticos atuais podem manter uma coerência livre de erros por apenas uma pequena fração de segundo. O co-orientador da Universidade de Manchester, professor Richard Curry, disse que o silício ultrapuro permitiu a construção de dispositivos qubit de alto desempenho – um componente crítico necessário para abrir caminho para computadores quânticos escaláveis. “O que conseguimos fazer foi criar efetivamente um 'tijolo' crítico necessário para construir um computador quântico baseado em silício. É um passo crucial para criar uma tecnologia que tenha potencial para ser transformadora para a humanidade”, disse o professor Curry.

O autor principal e estudante de doutorado da Universidade de Melbourne / Universidade de Manchester, Ravi Acharya, prepara um chip de silício para enriquecimento no laboratório de feixe de íons focado em P-NAME da Universidade de Manchester. Crédito: Universidade de Melbourne/Universidade de Manchester

O papel do silício na tecnologia quântica

O autor principal, Ravi Acharya, bolsista conjunto da Universidade de Manchester / Universidade de Melbourne Cookson, disse que a grande vantagem da computação quântica de chips de silício é que ela usa as mesmas técnicas essenciais que fabricam os chips usados ​​nos computadores atuais. “Os chips eletrônicos atualmente presentes em um computador comum consistem em bilhões de transistores - eles também podem ser usados ​​para criar qubits para dispositivos quânticos baseados em silício. A capacidade de criar qubits de silício de alta qualidade foi em parte limitada até o momento pela pureza do material inicial de silício utilizado. A pureza inovadora que mostramos aqui resolve este problema.” O professor Jamieson disse que os novos chips de computador de silício altamente purificados abrigam e protegem os qubits para que possam sustentar a coerência quântica por muito mais tempo, permitindo cálculos complexos com necessidade bastante reduzida de correção de erros. “Nossa técnica abre caminho para computadores quânticos confiáveis ​​que prometem mudanças radicais em toda a sociedade, inclusive em inteligência artificial, dados e comunicações seguras, design de vacinas e medicamentos e uso de energia, logística e fabricação”, disse ele. O silício – feito da areia da praia – é o material chave para a indústria atual de tecnologia da informação porque é um material abundante e versátil. semicondutor: pode atuar como condutor ou isolante de corrente elétrica, dependendo de quais outros elementos químicos lhe sejam adicionados. “Outros estão experimentando alternativas, mas acreditamos que o silício é o principal candidato para chips de computador quântico que permitirão a coerência duradoura necessária para cálculos quânticos confiáveis”, disse o professor Jamieson.

Os coautores (esquerda) Prof David Jamieson (Universidade de Melbourne) e (direita) Dr. Maddison Coke (Universidade de Manchester) inspecionam o sistema de feixe de íons focado P-NAME na Universidade de Manchester usado para o projeto de enriquecimento de silício. Crédito: Universidade de Melbourne / Universidade de Manchester

Purificando Silício para Computação Quântica

“O problema é que, embora o silício que ocorre naturalmente seja principalmente o desejável isótopo silício-28, há também cerca de 4,5% de silício-29. O Silício-29 tem um nêutron extra em cada

átomo

Um átomo é o menor componente de um elemento. É composto de prótons e nêutrons dentro do núcleo e elétrons circulando o núcleo.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">atomdo núcleo que atua como um minúsculo ímã desonesto, destruindo a coerência quântica e criando erros de computação”, disse ele. Os pesquisadores direcionaram um feixe focado e de alta velocidade de silício-28 puro em um chip de silício, de modo que o silício-28 substituiu gradualmente os átomos de silício-29 no chip, reduzindo o silício-29 de 4,5% para duas partes por milhão (0,0002% ). “A grande notícia é purificar o silício a este nível, agora podemos usar uma máquina padrão – um implantador de íons – que você encontraria em qualquer laboratório de fabricação de semicondutores, ajustado para uma configuração específica que projetamos”, disse o professor Jamieson.

Perspectivas e Impacto Futuro

Em pesquisa publicada anteriormente com o Centro de Excelência ARC para Computação Quântica e Tecnologia de Comunicação, a Universidade de Melbourne estabeleceu – e ainda mantém – o recorde mundial de coerência de qubit único de 30 segundos usando silício menos purificado. 30 segundos é tempo suficiente para concluir cálculos quânticos complexos e sem erros. O professor Jamieson disse que os maiores computadores quânticos existentes tinham mais de 1.000 qubits, mas erros ocorreram em milissegundos devido à perda de coerência. “Agora que podemos produzir silício-28 extremamente puro, nosso próximo passo será demonstrar que podemos sustentar a coerência quântica para muitos qubits simultaneamente. Um computador quântico confiável com apenas 30 qubits excederia o poder dos supercomputadores atuais para algumas aplicações”, disse ele. Este último trabalho foi apoiado por bolsas de investigação dos governos australiano e do Reino Unido. A colaboração do Professor Jamieson com a Universidade de Manchester é apoiada pela Royal Society Wolfson Visiting Fellowship. Um relatório de 2020 do CSIRO da Austrália estimou que a computação quântica na Austrália tem potencial para criar 10.000 empregos e US$ 2,5 bilhões em receita anual até 2040. “Nossa pesquisa nos leva significativamente mais perto de concretizar esse potencial”, disse o professor Jamieson. Referência: “Altamente ²⁸Silício enriquecido com Si por implantação de feixe de íons focado localizado” por Ravi Acharya, Maddison Coke, Mason Adshead, Kexue Li, Barat Achinuq, Rongsheng Cai, A. Baset Gholizadeh, Janet Jacobs, Jessica L. Boland, Sarah J. Haigh, Katie L. Moore, David N. Jamieson e Richard J. Curry, 7 de maio de 2024, Materiais de comunicação. DOI: 10.1038/s43246-024-00498-0 https://w3b.com.br/chip-de-silicio-ultrapuro-desencadeia-uma-revolucao-na-computacao-quantica/?feed_id=7273&_unique_id=66735da15eb76

O silício mais puro do mundo abre caminho para computadores quânticos de última geração

O silício mais puro do mundo abre caminho

Pesquisadores da Universidade de Manchester e da Universidade de Melbourne desenvolveram um silício ultrapuro crucial para a criação de computadores quânticos escaláveis, que poderiam potencialmente enfrentar desafios globais, como mudanças climáticas e questões de saúde.

Um grande avanço em

Computação quântica

Realização de computação usando fenômenos da mecânica quântica, como superposição e emaranhamento.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">computação quântica foi alcançado com o desenvolvimento de silício ultrapuro, preparando o terreno para a criação de computadores quânticos poderosos e escaláveis. Há mais de 100 anos, cientistas da Universidade de Manchester mudaram o mundo quando descobriram o núcleo dos átomos, marcando o nascimento da física nuclear. Avançando até hoje, a história se repete, desta vez na computação quântica. Com base no mesmo método pioneiro forjado por Ernest Rutherford – “o fundador da física nuclear” – os cientistas da Universidade, em colaboração com a Universidade de Melbourne, na Austrália, produziram uma forma aprimorada e ultrapura de silício que permite a construção de alta dispositivos qubit de desempenho – um componente fundamental necessário para preparar o caminho para computadores quânticos escaláveis. A descoberta, publicada na revista Materiais de comunicaçãopoderia definir e impulsionar o futuro da computação quântica.

Avanços na computação quântica

Richard Curry, professor de materiais eletrônicos avançados na Universidade de Manchester, disse: “O que conseguimos fazer foi criar efetivamente um 'tijolo' crítico necessário para construir um computador quântico baseado em silício. É um passo crucial para tornar viável uma tecnologia que tem o potencial de ser transformadora para a humanidade; uma tecnologia que nos possa dar a capacidade de processar dados numa escala tal que seremos capazes de encontrar soluções para questões complexas, como a resposta ao impacto das alterações climáticas e os desafios dos cuidados de saúde.

Prof Rich Curry (à direita) e Dr. Mason Adshead (à esquerda). Crédito: Universidade de Manchester

“É apropriado que esta conquista esteja alinhada com o 200º aniversário da nossa Universidade, onde Manchester tem estado na vanguarda da inovação científica ao longo deste tempo, incluindo o 'dividir o

átomo

Um átomo é o menor componente de um elemento. É composto de prótons e nêutrons dentro do núcleo e elétrons circulando o núcleo.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">atom' descoberta em 1917, depois em 1948 com 'The Baby' – a primeira demonstração na vida real da computação eletrônica com programas armazenados, agora com este passo em direção à computação quântica.”

Superando Desafios Quânticos

Um dos maiores desafios no desenvolvimento de computadores quânticos é que os qubits – os blocos de construção da computação quântica – são altamente sensíveis e requerem um ambiente estável para manter a informação que contêm. Mesmo pequenas mudanças no ambiente, incluindo flutuações de temperatura, podem causar erros no computador. Outra questão é a sua escala, tanto o seu tamanho físico como o seu poder de processamento. Dez qubits têm o mesmo poder de processamento que 1.024 bits em um computador normal e podem ocupar potencialmente um volume muito menor. Os cientistas acreditam que um computador quântico com pleno desempenho precisa de cerca de um milhão de qubits, o que fornece uma capacidade inviável por qualquer computador clássico.

Prof Rico Curry. Crédito: Universidade de Manchester

O papel do silício na computação quântica

O silício é o material de base da computação clássica devido às suas propriedades semicondutoras e os pesquisadores acreditam que pode ser a resposta para computadores quânticos escaláveis. Os cientistas passaram os últimos 60 anos aprendendo como projetar o silício para fazê-lo funcionar da melhor forma possível, mas na computação quântica ela tem seus desafios. O silício natural é composto de três átomos de massas diferentes (chamados isótopos) - silício 28, 29 e 30. No entanto, o Si-29, que representa cerca de 5% do silício, causa um efeito de 'flopping nuclear', fazendo com que o qubit perder informações. Num avanço na Universidade de Manchester, os cientistas descobriram uma maneira de projetar silício para remover os átomos de silício 29 e 30, tornando-o o material perfeito para fazer computadores quânticos em escala e com alta eficiência.

precisão

Quão próximo o valor medido está em conformidade com o valor correto.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">precisão. O resultado – o silício mais puro do mundo – fornece um caminho para a criação de um milhão de qubits, que podem ser fabricados no tamanho de uma cabeça de alfinete. Ravi Acharya, pesquisador PhD que realizou trabalho experimental no projeto, explicou: “A grande vantagem da computação quântica de silício é que as mesmas técnicas usadas para fabricar os chips eletrônicos - atualmente dentro de um computador comum que consiste em bilhões de transistores - pode ser usado para criar qubits para dispositivos quânticos baseados em silício. A capacidade de criar qubits de silício de alta qualidade foi em parte limitada até o momento pela pureza do material inicial de silício utilizado. A pureza inovadora que mostramos aqui resolve este problema.” A nova capacidade oferece um roteiro para dispositivos quânticos escaláveis ​​com desempenho e capacidades incomparáveis ​​e promete transformar tecnologias de maneiras difíceis de imaginar. O co-supervisor do projeto, professor David Jamieson, da Universidade de Melbourne, disse: “Nossa técnica abre o caminho para computadores quânticos confiáveis ​​que prometem mudanças radicais em toda a sociedade, inclusive em inteligência artificial, dados e comunicações seguras, design de vacinas e medicamentos, e uso de energia, logística e fabricação. “Agora que podemos produzir silício-28 extremamente puro, nosso próximo passo será demonstrar que podemos sustentar a coerência quântica para muitos qubits simultaneamente. Um computador quântico confiável com apenas 30 qubits excederia o poder dos supercomputadores atuais para algumas aplicações”,

Compreendendo a computação quântica

Todos os computadores operam usando elétrons. Além de terem carga negativa, os elétrons têm outra propriedade conhecida como “spin”, que é frequentemente comparada a um pião. A rotação combinada dos elétrons dentro da memória de um computador pode criar um campo magnético. A direção deste campo magnético pode ser usada para criar um código onde uma direção é chamada de '0' e a outra direção é chamada de '1'. Isso nos permite usar um sistema numérico que usa apenas 0 e 1 para dar instruções ao computador. Cada 0 ou 1 é chamado de bit. Num computador quântico, em vez do efeito combinado do spin de muitos milhões de eletrões, podemos usar o spin de eletrões individuais, passando do trabalho no mundo “clássico” para o mundo “quântico”; do uso de 'bits' para 'qubits'. Enquanto os computadores clássicos fazem um cálculo após o outro, os computadores quânticos podem fazer todos os cálculos ao mesmo tempo, permitindo-lhes processar grandes quantidades de informações e realizar cálculos muito complexos a uma velocidade incomparável. Embora ainda se encontrem nas fases iniciais da computação quântica, uma vez totalmente desenvolvidos, os computadores quânticos serão utilizados para resolver problemas complexos do mundo real, como a concepção de medicamentos, e fornecer previsões meteorológicas mais precisas – cálculos demasiado difíceis para os supercomputadores actuais. Referência: “Altamente ²⁸Silício enriquecido com Si por implantação de feixe de íons focado localizado” por Ravi Acharya, Maddison Coke, Mason Adshead, Kexue Li, Barat Achinuq, Rongsheng Cai, A. Baset Gholizadeh, Janet Jacobs, Jessica L. Boland, Sarah J. Haigh, Katie L. Moore, David N. Jamieson e Richard J. Curry, 7 de maio de 2024, Materiais de comunicação. DOI: 10.1038/s43246-024-00498-0 Este trabalho foi apoiado pelo Conselho de Pesquisa em Engenharia e Ciências Físicas do Reino Unido (EPSRC), especificamente pelo Programa Grant 'Engenharia de Materiais Avançados em Nanoescala liderado pelo Prof. A colaboração do Professor Jamieson com a Universidade de Manchester é apoiada pela Royal Society Wolfson Visiting Fellowship e pelo Australian Research Council. Ravi Acharya é estudante de doutorado conjunto da Universidade de Manchester e da Universidade de Melbourne, apoiado por uma bolsa Cookson. O silício mais puro do mundo abre caminho https://w3b.com.br/o-silicio-mais-puro-do-mundo-abre-caminho-para-computadores-quanticos-de-ultima-geracao/?feed_id=5950&_unique_id=66590de232278