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Salto cuántico
Un equipo internacional de investigadores ha demostrado que puede controlar el estado cuántico de un solo electrón en un transistor de silicio, incluso colocando el electrón en dos lugares a la vez. Su descubrimiento podría ayudar a allanar el camino hacia una computadora cuántica práctica.
Niñera de valla: Un modelo de computadora muestra un átomo de arsénico con un electrón que se encuentra en dos estados cuánticos distintos al mismo tiempo. Un equipo internacional de investigadores confirmó experimentalmente las predicciones del modelo.
Las computadoras cuánticas aprovechan las extrañas propiedades de las partículas subatómicas para realizar ciertos tipos de cálculos mucho más rápido que las computadoras clásicas. Los investigadores están explorando una serie de enfoques diferentes de la computación cuántica, y algunos incluso han construido circuitos cuánticos primitivos que pueden realizar cálculos. Pero la computación cuántica práctica requeriría la capacidad de fabricar dispositivos con millones de circuitos cuánticos, en lugar de los 12 o 16 que se pueden lograr ahora, que se pueden integrar con componentes electrónicos más convencionales.
Un enfoque teórico de la electrónica cuántica práctica consiste en utilizar la electrónica convencional (diminutos transistores semiconductores) para controlar el estado de un sistema cuántico. Investigadores liderados por Sven Rogge , investigador de la Universidad Tecnológica de Delft, en los Países Bajos, realizó los primeros experimentos prácticos para verificar las predicciones teóricas del enfoque. El equipo, que también incluía investigadores de Universidad de Purdue ; el Universidad de Melbourne , en Australia; y IMEC , en Bélgica, descubrió que podía controlar el estado cuántico de un solo electrón simplemente alterando el voltaje aplicado a un transistor. Esto representa un buen paso hacia dispositivos futuros donde el rendimiento está determinado por la manipulación de estados cuánticos de átomos individuales, dice Thomas Schenkel, científico de Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley .
Los investigadores utilizaron transistores prefabricados construidos para la investigación en nanotecnología, cada uno de los cuales constaba de dos nanocables de silicio cruzados. Uno de los nanocables, el de abajo, estaba conectado a electrodos que contenían arsénico. Cuando ese cable estaba cargado, a veces atraía átomos de arsénico hacia el transistor. Después de aplicar un voltaje en unos 100 transistores, el equipo encontró seis que parecían tener átomos de arsénico individuales incrustados en el nanoalambre. Luego descubrieron que variar el voltaje a través del cable superior controlaría el estado cuántico de uno de los electrones del átomo. Usando una técnica de imagen llamada espectroscopia de túnel de barrido, pudieron distinguir tres estados de los átomos en los seis dispositivos. Uno de esos estados se correspondía con el hecho de que el electrón estuviera en dos lugares al mismo tiempo, una propiedad necesaria para la computación cuántica.
Pero para comprender el comportamiento de un átomo, es necesario modelar millones, dice Rogge. Así que él y sus colegas utilizaron un programa estándar llamado NEMO 3D caracterizar un sistema a gran escala que contiene 1,4 millones de átomos. Descubrieron que las mediciones de su sistema modelo estaban de acuerdo con los resultados de la espectroscopía. Es realmente genial ver qué tan bien sus simulaciones pueden describir transistores dopados aleatoriamente, que son todos diferentes en detalle, dice Schenkel.
Estados alterados: A medida que aumenta el campo eléctrico inducido por un nanoalambre de silicio (gris), un electrón en un átomo de arsénico se mueve desde su estado fundamental (izquierda) a un estado excitado (derecha). Durante esta transición, el electrón entra en un estado de hibridación (medio) en el que se encuentra en los otros dos estados simultáneamente. En teoría, tal electrón podría servir como qubit en una computadora cuántica.
Dependiendo de la fuerza del campo eléctrico creado por el nanoalambre superior, un electrón podría encontrarse en uno de tres estados. En campos eléctricos bajos, el electrón permanece unido al átomo de arsénico. En campos eléctricos elevados, el electrón se alejó del átomo. Pero cuando el campo eléctrico estaba en el nivel correcto, el electrón estaría en ambos lugares a la vez.
Para que una computadora cuántica funcione, sus qubits, el equivalente cuántico de los bits de una computadora clásica, deben estar entrelazados: sus estados cuánticos deben estar acoplados entre sí. Sacar un electrón de su átomo podría ser una forma interesante de acoplar qubits adyacentes, dice Schenkel.
Si bien este resultado es importante, el verdadero desafío para hacer futuros dispositivos de un solo dopante es descubrir cómo colocar los [átomos de arsénico] en el host de silicio con la precisión requerida, dice Bruce Kane , científico investigador de la Universidad de Maryland. Los investigadores encontraron sus seis dispositivos por casualidad; para producir circuitos de trabajo, necesitarían poder colocar átomos de arsénico, o algún otro material, en los transistores de manera más confiable.
Si bien los investigadores eventualmente esperan poder controlar la posición de los átomos en el transistor, nuestro siguiente paso es agregar un segundo electrón y ver qué sucede con la configuración del estado del electrón, dice Gabri Lansbergen, otro investigador de Delft. En un futuro lejano, agrega Rogge, nos gustaría experimentar con varios [materiales] y ver cómo interactúan.