Processador quântico de silício é construído átomo por átomo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/01/2022

Esquema da técnica para incorporar átomos individuais em uma pastilha de silício, um por um - cada um torna-se um qubit.
[Imagem: University of Melbourne]

Dopagem átomo por átomo

Uma equipe da Austrália e da Alemanha levou ao extremo a técnica da dopagem, uma melhoria suficiente para que esse método padrão da microeletrônica seja usado também na construção dos computadores quânticos.

A dopagem consiste na introdução de "impurezas" - átomos de outro elemento químico - nos semicondutores, como o silício ou o germânio, para ajustar as propriedades dos componentes eletrônicos para as necessidades de funcionamento de cada um.

Alexander Jakob e seus colegas desenvolveram uma técnica que permite inserir átomos em uma pastilha de silício ou outro semicondutor, mas com uma precisão inédita: Os átomos são inseridos individualmente, um após o outro, de forma totalmente controlável.

Hoje, a implantação de átomos no silício é um processo largamente aleatório, onde a pastilha de silício é banhada no elemento que se quer implantar, chamado dopante - cada átomo do dopante se implanta em um padrão aleatório, como gotas de chuva em uma janela.

Em termos simples, a equipe substituiu a finíssima ponta de um microscópio de varredura, tipicamente capaz de tocar átomo por átomo de um material, por uma chapinha dotada de um nanofuro, com espessura suficiente para deixar passar um átomo.

A chapinha é então posicionada sobre o local onde se quer implantar o átomo e um feixe do dopante é disparado sobre ela. Como o furo só deixa passar um átomo, este é depositado precisamente no local planejado.

Um clique para cada átomo

O aparato criado pela equipe permite criar padrões em grande escala, com números de átomos precisamente definidos e precisamente localizados. E tudo em pastilhas de silício, aproveitando para a computação quântica toda a tecnologia já desenvolvida para os computadores de silício.

"Usamos uma tecnologia avançada desenvolvida para detectores de raios X sensíveis e um microscópio de força atômica especial, originalmente desenvolvido para a missão espacial Rosetta, juntamente com um modelo de computador abrangente para a trajetória de íons implantados em silício, desenvolvido em colaboração com nossos colegas na Alemanha," descreveu Jakob, da Universidade de Melbourne.

A equipe descobriu que a energia cinética do átomo, ao penetrar no cristal de silício e dissipar sua energia por fricção, pode ser medida, e então eles usaram esse sinal para gerar um pequeno clique sonoro, que sinaliza em tempo real que a técnica está funcionando para cada átomo individualmente.

"Nós podíamos 'ouvir' o clique eletrônico quando cada átomo caía em um dos 10.000 locais em nosso dispositivo protótipo. Nossa visão é usar essa técnica para construir um dispositivo quântico de muito, muito grande escala," acrescentou o professor David Jamieson.

A precisão alcançada com o implante atômico é impressionante.
[Imagem: Alexander M. Jakob et al. - 10.1002/adma.202103235]

Processadores quânticos em larga escala

A vantagem da deposição controlada, quantitativa e espacialmente, é que os átomos podem ser controlados para que seus estados quânticos possam ser manipulados, acoplados e lidos.

Ou seja, cada átomo pode ser usado como um qubit totalmente funcional e isolado dos outros. Já existem protótipos de processadores quânticos assim, mas os átomos ficam em padrões aleatórios, e os pesquisadores precisam testar um por um para ver quais deles funcionam como um qubit e ainda contar com a sorte de que esse que funciona bem não tenha um vizinho para atrapalhar.

"Acreditamos que, em última análise, poderemos fazer máquinas de grande escala baseadas em bits quânticos de átomo único usando nosso método e aproveitando as técnicas de fabricação que a indústria de semicondutores aperfeiçoou," concluiu Jamieson.

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