Nanotechnology Now – Comunicado de prensa: Bits cuánticos giratorios «calientes» en transistores de silicio

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Los qubits recientemente desarrollados se basan en los llamados agujeros (rojo), cuyo giro (flecha) almacena la información en una dirección u otra.  Están dispuestos en una arquitectura basada en transistores de silicio.  CRÉDITO Ilustración: NCCR Spin
Los qubits recientemente desarrollados se basan en los llamados agujeros (rojo), cuyo giro (flecha) almacena la información en una dirección u otra. Están dispuestos en una arquitectura basada en transistores de silicio. CRÉDITO Ilustración: NCCR Spin

Resumen:
Los bits cuánticos (qubits) son las unidades de información más pequeñas en una computadora cuántica. Actualmente, uno de los mayores desafíos en el desarrollo de una computadora tan poderosa es la escalabilidad. Un grupo de investigación de la Universidad de Basilea, en cooperación con el Laboratorio de Investigación de IBM en Rüschlikon, ha hecho un gran avance en esta área.

Bits cuánticos de espín «caliente» en transistores de silicio

Basilea, Suiza | Publicado el 25 de marzo de 2022

Las computadoras cuánticas prometen un poder de cómputo sin precedentes, pero hasta ahora los prototipos solo se han basado en un puñado de unidades de cómputo. Para explotar el potencial de esta nueva generación de computadoras, se deben combinar grandes cantidades de qubits.

Es un problema de escalabilidad que alguna vez también afectó a las computadoras clásicas; en ese momento se resolvió con transistores integrados en chips de silicio. El equipo de investigación en torno al Dr. Andreas Kuhlmann y el profesor Dominik Zumbühl de la Universidad de Basilea ahora han desarrollado qubits basados ​​en silicio que tienen una estructura muy similar a los transistores de silicio clásicos. Los investigadores publicaron sus resultados en la revista Nature Electronics.

Basado en la tecnología clásica de silicio

En las computadoras clásicas, la solución al problema de la escalabilidad residía en los chips de silicio, que hoy en día contienen miles de millones de «transistores de efecto de campo de aletas» (FinFET). Estos FinFET son lo suficientemente pequeños para aplicaciones cuánticas; A temperaturas muy bajas, cercanas al cero absoluto (0 Kelvin o -273,15 grados Celsius), un solo electrón con carga negativa o un «agujero» con carga positiva puede actuar como un qubit de espín. Los qubits de giro almacenan información cuántica en dos estados: giro hacia arriba (hacia arriba) y giro hacia abajo (hacia abajo).

Los qubits desarrollados por el equipo de Kuhlmann se basan en la arquitectura FinFET y usan agujeros como qubits giratorios. A diferencia del espín del electrón, el espín del agujero en las nanoestructuras de silicio se puede manipular directamente con señales eléctricas rápidas.

Posibilidad de temperaturas de funcionamiento más altas

Otro obstáculo importante para la escalabilidad es la temperatura; Los sistemas qubit anteriores normalmente tenían que operar en un rango extremadamente bajo de alrededor de 0,1 Kelvin. Controlar cada qubit requiere cables de prueba adicionales para conectar la electrónica de control de temperatura ambiente a los qubits en el criostato, una unidad de enfriamiento que produce temperaturas extremadamente bajas. El número de estos cables de prueba es limitado porque cada cable produce calor. Esto crea inevitablemente un cuello de botella en el cableado, lo que a su vez limita el escalado.

Evitar este «cuello de botella en el cableado» es uno de los principales objetivos del grupo de investigación de Kuhlmann y requiere la instalación de electrónica de medición y control directamente en la unidad de refrigeración. «Sin embargo, la integración de esta electrónica requiere el funcionamiento de qubit a temperaturas superiores a 1 Kelvin, con la capacidad de enfriamiento de los criostatos aumentando considerablemente para compensar el calor emitido por la electrónica de control», explica el Dr. Leon Camenzind del Departamento de Física de la Universidad de Basilea. El estudiante de doctorado Simon Geyer, que comparte la autoría principal del estudio con Camenzind, añade: «Con nuestros qubits, hemos superado la marca de los 4 Kelvin y alcanzado el punto de ebullición del helio líquido. Aquí podemos lograr una capacidad de enfriamiento significativamente mayor, lo que permite la integración de la última tecnología de control criogénico”.

Cerca del estándar de la industria

Trabajar con tecnología probada como la arquitectura FinFET para construir una computadora cuántica ofrece el potencial de escalar a un gran número de qubits. «Con nuestro enfoque de construir sobre la tecnología de silicio existente, estamos cerca de la práctica industrial», dice Kuhlmann. Las muestras se crearon en el Centro de Nanotecnología Binnig and Rohrer en el laboratorio IBM Research Zurich en Rüschlikon, socio de NCCR SPIN, que tiene su sede en la Universidad de Basilea y forma parte del equipo de investigación.

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Universidad de Basilea

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contactos expertos

Profesor Dominik Zumbuehl
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Dr andreas kühlmann
Universidad de Basilea, Departamento de Física

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