Exemplos
de dispositivos quânticos supercondutores contendo silício. (esquerda) Um
circuito supercondutor pode formar um qubit supercondutor ou um dispositivo supercondutor
de interferência quântica (SQUID). Correntes no circuito podem ser usadas para
medir a intensidade de um campo magnético. As correntes de fluxo (em qualquer
direção), também podem ser utilizadas para constituir um qubit. (centro) Separação
dos fios supercondutores por um isolante, neste caso, o silício cristalino
puro, forma uma junção Josephson. (direita) Precisamente colocado, regiões
altamente dopadas dentro de semicondutores formam os fios supercondutores.
Crédito: LPS
Teóricos propuseram
uma maneira de construir dispositivos supercondutores quânticos tais como
junções Josephson e qubits, átomo por átomo, dentro de um cristal de silício.
Tais sistemas poderiam combinar os aspectos mais promissores de qubits de spin
de silício com a flexibilidade de circuitos supercondutores. Os resultados foram
publicados na revista Nature Communications (clique aqui).
Silício de
alta qualidade é um dos fundamentos históricos da computação moderna. Mas
também é promissor para a tecnologia da informação quântica. Elétrons e spins
nucleares em cristais de silício puro foram medidos exibindo excelentes
propriedades como qubits de longa duração, o equivalente a bits em computadores
convencionais. Em um artigo publicado esta semana na revista Nature Communications, Yun-Pil Shim e Charles Tahan,
da Universidade de Maryland e do Laboratório de Ciências Físicas, mostraram
como qubits e dispositivos supercondutores podem ser construídos a partir de
silício. A ideia é combinar as boas propriedades quânticas do silício com a
flexibilidade de dispositivos supercondutores. Eles propõem o uso de técnicas de
nano-fabricação “bottom-up” para construir regiões supercondutoras precisamente
inseridas dentro de silício ou germânio e mostrar que esses “fios” podem ser
usados para fazer junções supercondutoras tipo túnel e outros dispositivos úteis.
Qubits em supercondutores
e semicondutores
Circuitos supercondutores
são extremamente personalizáveis e podem produzir dispositivos que vão desde
sensores de campo magnético até circuitos lógicos clássicos. Também podem
desempenhar um papel importante no processamento de informação quântica, onde
eles podem ser usados como uma plataforma para
qubits, sistemas quânticos pequenos que residem
em uma superposição de estados quânticos.
Vários tipos
de circuitos supercondutores têm sido utilizados para implementar qubits e
portas lógicas quânticas com diferentes propriedades e usos potenciais. Por
exemplo, em um tipo de circuito, a corrente pode fluir em qualquer dos dois
sentidos. Estas alternativas constituem os dois estados superpostos necessários
para o estabelecimento de um qubit. Os dois estados podem ser rotulados de “0”
e “1”, em analogia com bits clássicos. Pulsos de microondas podem dirigir as
transições entre os dois níveis que permitem portas lógicas quânticas.
Em geral, os
sistemas quânticos são objetos delicados e são suscetíveis ao ruído e outros
fatores ambientais que diminuem o desempenho. Circuitos quânticos devem proteger
qubits de interferência externa durante o tempo que o cálculo prosseguir.
Apesar do rápido progresso na qualidade dos qubits supercondutores (vida superior
a 100 microssegundos), as taxas de erro ainda são limitadas pela perda nos
metais, isolantes, substratos e interfaces que compõem os dispositivos
supercondutores heterogêneos.
Qubits de spin são exemplos de qubits feitos no
estado sólido. O spin é uma propriedade quântica de partículas como o elétron;
físicos muitas vezes pensam a rotação de um elétron como sendo um pequeno ímã,
que irá, naturalmente, apontar na direção de um campo magnético aplicado. Aqui,
os estados e os 1 0 correspondem às duas possíveis orientações do spin do
elétron, para cima ou para baixo. Uma vez que a rotação é naturalmente
dissociada da carga em alguns sistemas (ou seja, as informações armazenadas na
direção do spin não serão perdidas, movendo o elétron ou ser abalada por ruído
elétrico), qubits de spin são candidatos promissores para um projeto robusto de qubit. Além disso,
o uso de dispositivos semicondutores epitaxiais e a capacidade de mergulhar
qubits de spin no fundo de um meio de semicondutores, longe de ruído em
interfaces e superfícies, resultou em
qubits que vivem por alguns segundos ou até mesmo horas, em algumas situações,
muito mais do que qubits supercondutores.
Dispositivos práticos
Shim e Tahan propuseram a utilização das
melhores características de qubits supercondutores e semicondutores. Eles
pretendem fazer fios supercondutores e cruzamentos, a partir do qual qubits e
sensores podem ser feitos, colocando (ou dopando) átomos receptores (como o
boro ou alumínio, elementos que aceitam elétrons) em regiões específicas dentro
do cristal de silício. Eles sugerem que uma técnica desenvolvida recentemente (litografia
de hidrogênio STM), pode ser usada para fazer exatamente isso. Lançado pela
Michelle Simmons, da Universidade de New South Wales, uma ponta do microscópio
de varredura por tunelamento (STM) é usada para remover seletivamente os átomos
de hidrogênio na superfície do silício (ou germânio). A dopagem de gás, tais
como a fosfina, pode então ser introduzida, permitindo a inserção seletiva de
impurezas com precisão atômica. “Se os átomos
aceitadores podem ser colocados em densidade suficiente sobre camadas, então
regiões supercondutoras podem ser fabricadas dentro do silício e, em seguida,
encapsulada com silício cristalino,” diz o Dr. Shim. Um em cada quatro
átomos de silício foram substituídos dessa maneira. Geralmente, quanto maior a
densidade de dopante, maior será a temperatura crítica supercondutora. Os
cientistas aprenderam cerca de 10 anos atrás que o silício pode ser supercondutor
quando dopado com densidade suficiente de átomos aceitadores, como o boro. Nos
últimos anos, a qualidade desses sistemas de silício supercondutores tem melhorado
muito, produzindo material supercondutor com temperaturas críticas próximas de
1 K e ainda deixando o cristal em boas condições (em outras palavras, ainda é
de silício). Ao calcular as propriedades dessas regiões supercondutoras-semicondutoras,
Shim e Tahan mostram que os fios com temperatura crítica suficiente podem ser
construídos com a abordagem ‘bottom-up’ de litografia de hidrogênio.
Finalmente, eles mostram que os tipos de qubits
supercondutores observados em amostras de metal podem ser construídos no sistema
de silício, bem como fornecer as exigências geométricas necessárias para sua
fabricação. “Há um esforço em curso para melhorar a qualidade
da barreira epitaxial de tunelamento”, disse Charles Tahan, “mas nenhum trabalho anterior para fazer todo o dispositivo a
partir de um único cristal semicondutor. Até onde sabemos, esta é a primeira
proposta sobre a viabilidade do silício para junções Josephson e qubits. Também
estou animado sobre o potencial desses sistemas para outros dispositivos, como
sensores e detectores de partículas.”
Além da possibilidade de circuitos
supercondutores construídos dentro de um cristal homogêneo de silício,
dispositivos supercondutores-semicondutores como estes poderiam ser utilizados
para construir outros tipos de sistemas quânticos exóticos de muitos corpos em
escala atômica, e até mesmo atuar como banco de testes para a nossa compreensão
da supercondutividade.
