La computación cuántica tiene el potencial para producir un cambio fundamental en programación, con aplicaciones que pueden llegar a revolucionar la búsqueda de nuevos materiales, acelerar el descubrimiento de fármacos o mejorar la seguridad online. La información, en vez de guardarse en forma de bits (0 o 1), se guarda en sistemas cuánticos de dos niveles (|0> y |1>) llamados qubits. Los qubits puede encontrarse en una superposición de ambos estados al mismo tiempo y entrelazarse cuánticamente con otros qubits. Este nuevo paradigma de computación permite cambiar el modo en el que escala el tiempo necesario para resolver un algoritmo con respecto al tamaño del problema. De esta forma, problemas que hoy en día son inalcanzables, podrían llegar a resolverse.
Sin embargo, un procesador cuántico resistente a errores, necesario para resolver las simulaciones más exigentes, requeriría tener alrededor de 10 millones de qubits, un número mucho más grande de lo que la tecnología actual puede generar. En este contexto, uno de los requisitos para alcanzar el máximo potencial de un procesador cuántico es la reproducibilidad y homogeneidad del sistema que contiene los qubits. Esta característica esencial, ha motivado el uso transistores de silicio — como los que se encuentran por billones en cualquier dispositivo móvil o portátil — para computación cuántica.
Las técnicas de fabricación de los transistores de silicio han mejorado progresivamente durante décadas hasta el punto de producir billones de transistores por chip de forma rutinaria. La maestría en estas técnicas de fabricación, conocidas como complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS), estimuló usar los puntos cuánticos, también llamados átomos artificiales, que se forman en transistores de silicio a bajas temperaturas como receptáculos para spin qubits.
En este artículo, evaluamos si los métodos de fabricación CMOS pueden usarse para crear spin qubits que mantengan la información por un largo periodo de tiempo, utilizando un método de lectura compacto que puede ser usado a gran escala. Para ello, utilizamos un transistor consistente en un nanohilo de silicio en el que, a bajas temperaturas, se forman dos puntos cuánticos, uno en cada esquina del nanohilo (Ver Figura 1).
Arriba: Oblea de silicio con un diámetro de 300mm en la que se encuentran los transistores. Cortesía de CEA-Leti. Derecha: Corte transversal de un nanohilo de silicio con dos puertas en paralelo. Los puntos cuánticos se forman uno en cada esquina del nanohilo bajo las puertas que permiten controlar su potencial independientemente. El spin de un único electrón confinado en uno de los puntos cuánticos se mide mediante una conversión de spin a movimiento carga. Para detectar el movimiento de carga, el punto denominado “sensor” se conecta a un resonador eléctrico para monitorizar su potencial utilizando reflectometría de puerta. Izquierda: representación de la esfera de Bloch en el que un electrón con spin up decae. El máximo tiempo de relajación medido es de 9 segundos.
El sistema de dos niveles(qubit) es el spin de un único electrón confinado en uno de los puntos cuánticos y los dos niveles (spin up y down) están separados por la energía de Zeeman producida cuando el sistema se somete a un campo magnético constante. Para su lectura, utilizamos el hecho de que bajo el efecto de un campo magnético intenso, solo el spin up puede escapar a un reservorio electrónico mediante el efecto túnel. De esta forma, leer el spin se convierte en la detección de un movimiento de carga.
Dicho movimiento de carga perturba el potencial en el punto cuántico situado en la otra esquina del nanohilo. El potencial de este “sensor” está monitorizado mediante una pequeña señal oscilante de radiofrecuencia que continuamente mueve un electrón entre el “sensor” y un reservorio electrónico. El movimiento de carga dependiente del spin electrónico rompe este equilibrio dinámico que se observa como un cambio en la capacitancia del “sensor”.
El tiempo en el que el estado excitado (spin up) decae, conocido como tiempo de relajación (T1) determine el límite de tiempo en el que la información puede ser guardada en el qubit. En este trabajo, T1 fue medida observando la proporción de spin up con respecto al tiempo de espera antes de leer el spin, obteniendo tiempos de relajación de hasta segundos. Este es el valor más largo medido en un punto cuántico hasta la fecha.
Nuestros resultados indican que la geometría de los nanohilos de silicio y los procesos de fabricación compatibles con las técnicas CMOS, como los empleados en este trabajo, son muy prometedores para crear qubits de alta calidad. Combinado con el compacto método de lectura que demostramos en este trabajo, muestra un claro camino para la construcción de computadores cuánticos complejos basados en la manufactura a gran escala de la tecnología del silicio.
Virginia N. Ciriano-Tejel, Michael A. Fogarty, Simon Schaal, Louis Hutin, Benoit Bertrand, Lisa Ibberson, M. Fernando Gonzalez-Zalba, Jing Li, Yann-Michel Niquet, Maud Vinet, and John J.L. Morton