Qubits de aceptores en Silicio

La tecnología computacional actual se basa en el uso del silicio. El siguiente gran paso será la creación de un ordenador cuántico capaz de realizar operaciones que son imposibles con los ordenadores “clásicos”.

Uno de los candidatos para crear un ordenador cuántico utiliza también en la tecnología del silicio. Concretamente, una de las propuestas consiste en usar los estados de aceptores en silicio como bits cuánticos (qubits). Un aceptor es un átomo que se pone en lugar de un átomo de silicio pero que tiene un electrón y un protón menos. Debido a esta diferencia de carga con el silicio, el aceptor se comporta como si fuera un átomo de hidrógeno. Igual que el átomo de hidrógeno da lugar a estados de energía discretos. Los estados de menor energía (o estados fundamentales) son los que se pueden usar para definir los qubits. Debido a la estructura cristalina del silicio, el nivel más bajo de energía de un aceptor está cuatro veces degenerado. Sus energías se pueden separar mediante campos eléctricos, magnéticos o tensiones en el sólido. Además se pueden acoplar con facilidad a campos eléctricos oscilantes con los que realizar las distintas operaciones de computación.

Para que un ordenador cuántico pueda funcionar es importante que los qubits estén bien definidos, lo que físicamente quiere decir que los dos niveles del qubit |0> y |1> deben tener propiedades que los hagan distinguibles dentro del sistema físico, por ejemplo, deben tener una diferencia en energía superior a las fluctuaciones de energía en el ambiente, como los cambios de temperatura. Además los dos niveles deben estar suficientemente aislados del resto de niveles del sistema físico, reduciendo así las posibles fuentes de errores.

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En la figura de la izquierda se puede ver cómo afecta la barrera a las funciones de onda de los estados fundamentales (light-hole y heavy-hole). En la fila superior el aceptor está a 7.5 nm de la intercara entre el silicio y la barrera aislante y mantiene en gran parte su simetría. En la fila inferior la distancia es de 1.5 nm y se puede ver cómo la intercara repele la función de onda, deformándola y reduciendo su simetría. En la figura de la derecha se puede ver cómo la separación de energía entre los estados fundamentales aumenta al reducirse la distancia del aceptor a la intercara. J.C Abadillo-Uriel, ICMM-CSIC

Para poder controlar los estados cuánticos de aceptores en silicio necesitamos aplicar voltajes localmente. Esto implica que los aceptores se han de colocar cerca de una barrera aislante (encima de la cual se colocarían los contactos metálicos). En este trabajo, publicado en la revista Nanotechnology, hemos demostrado cómo esta barrera cambia la simetría del cristal y separa los cuatro estados de menor energía en dos pares de estados, por lo que junto a un campo magnético se pueden conseguir cuatro niveles lo suficientemente bien separados en energía como para definir los niveles de un qubit. Otro efecto de la presencia de una barrera cerca de los aceptores es que la separación en energía de los estados del qubit con respecto a otros estados se puede reducir de forma significativa. Esta reducción podría ser contraproducente para la definición de los qubits de aceptores. Los efectos de la barrera en los estados del qubit dependen tanto de las propiedades de la barrera como de la posición del aceptor.

José Carlos Abadillo-Uriel, ICMM-CSIC.

Interface effects on acceptor qubits in silicon and germanium. J.C. Abadillo-Uriel y M.J. Calderón. Nanotechnology 27, 024003 (2016).