Silício mais puro do mundo promete computador quântico de 1M de qubits

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/05/2024

Ravi Acharya prepara um chip de silício padrão para submetê-lo ao processo de enriquecimento do isótopo Si-28.
[Imagem: University of Melbourne/University of Manchester]

Silício ultrapuro

O nível de pureza já impressionante que alcançamos com o silíco - que já era suficiente para fabricar toda a nossa tecnologia eletrônica e de comunicações - acaba de ser superado por Ravi Acharya e colegas das universidades de Melbourne (Austrália) e Manchester (Reino Unido).

E, ao inventar uma técnica para fabricar o silício ultrapuro, a equipe colocou o material no nível dos computadores quânticos, abrindo caminho para que essas máquinas futurísticas sejam fabricadas em uma escala impensável até agora.

"Os chips eletrônicos atualmente em um computador comum consistem em bilhões de transistores. E eles também podem ser usados para criar qubits para dispositivos quânticos baseados em silício. A capacidade de criar qubits de silício de alta qualidade tem sido em parte limitada até o momento pela pureza do material de partida de silício usado para isso. A pureza inovadora que mostramos aqui resolve esse problema," disse Acharya.

A equipe calcula que o silício mais puro do mundo abre caminho para a criação de um milhão de qubits, que poderão ser fabricados em um cristal do tamanho da cabeça de um alfinete.

O silício natural é composto de três átomos de massas diferentes, chamados isótopos – silício 28, 29 e 30. Mas só o Si-28 é interessante para a computação quântica.
[Imagem: Ravi Acharya et al. - 10.1038/s43246-024-00498-0]

Como purificar o silício

O silício - os minúsculos cristais brilhantes que você encontra na areia da praia - é o material-chave para a atual indústria de tecnologia da informação porque é um semicondutor abundante e versátil: Ele funciona como condutor ou como isolante de corrente elétrica, dependendo de quais outros elementos químicos lhe são adicionados em quantidades minúsculas, um processo conhecido como dopagem.

Alguns pesquisadores acreditam que não vale a pena jogar fora toda a tecnologia atual, apostando na computação quântica no silício. Contudo, até agora, o maior processador quântico de silício tem seis qubits apenas.

"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 no núcleo de cada átomo que funciona como um minúsculo ímã inoportuno, destruindo a coerência quântica e criando erros de computação," explicou o professor David Jamieson, cuja equipe vem então tentando construir um processador quântico de silício átomo por átomo.

Acharya então teve a ideia de direcionar um feixe focado e de alta velocidade de átomos de silício-28 puro em um chip de silício. O que aconteceu foi que o silício-28 substituiu gradualmente os átomos de silício-29 no chip, reduzindo o silício-29 de 4,5% para 0,0002%, ou duas partes por milhão.

"A grande notícia é que, para purificar o silício a este nível, agora podemos usar uma máquina padrão - um implantador de íons - que você encontra em qualquer laboratório de fabricação de semicondutores, ajustado com uma configuração específica que projetamos," disse o professor Jamieson.

Processo de enriquecimento e foto das pastilhas de silício ultrapuro.
[Imagem: Ravi Acharya et al. - 10.1038/s43246-024-00498-0]

Computação quântica sem erros

A parte da equipe que trabalha na Universidade de Melbourne estabeleceu e ainda mantém o recorde mundial de coerência de qubit único de silício, que manteve seu dado por 30 segundos, mas na época usando silício menos purificado.

O silício ultrapuro deverá elevar muito esse tempo, mas a equipe ainda não fez esse teste. A principal expectativa, porém, está no número enorme de qubits que se torna possível criar. Já existem computadores quânticos com mais de 1.000 qubits, mas os erros ocorrem em milissegundos devido à perda de coerência. E 30 segundos já era tempo mais do que suficiente para concluir cálculos quânticos complexos e sem erros.

"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 Jamieson.

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