10 Minute
Noul entanglement mediat de electroni în siliciu
Inginerii de la UNSW raportează un pas major către calculul cuantic scalabil pe bază de siliciu: au demonstrat entanglement controlat între spinurile nucleare a doi atomi de fosfor într-un cip de siliciu folosind electroni ca mediatori. Publicat în Science (18 septembrie 2025), experimentul arată că nucleele atomice pot schimba informaţie cuantică la distanţe și pe scări compatibile cu fabricaţia semiconductorilor moderni.
Impresie artistică a două spinuri nucleare, entanglate de la distanţă prin poarta geometrică aplicată prin electron
Această realizare abordează un compromis central în proiectarea hardware-ului cuantic. Spinurile nucleare sunt excepțional izolate de zgomot și pot stoca stări cuantice (qubiți) timp de zeci de secunde, dar această izolare face dificilă cuplarea unui număr mare de qubiți. Echipa UNSW a folosit interacţiuni mediate de electroni pentru a conecta qubiţi de spin nuclear altfel izolați, păstrând în același timp timpii lungi de coerenţă — o combinaţie care a fost până acum greu de obţinut.
Background științific: spinuri nucleare, coerență și scalare
Spinurile nucleare sunt un candidat principal pentru qubiți cu durată lungă de viaţă. În dispozitive pe bază de siliciu dopate cu fosfor, fiecare nucleu de fosfor poartă un spin cuantic care poate reprezenta un qubit. Acești qubiți de spin nuclear se remarcă prin decoerenţă extrem de scăzută: grupul de la UNSW a înregistrat anterior timpi de coerenţă ce depășesc 30 de secunde în siliciu și fidelități ale logicii cuantice mai bune de 99% pentru porți single-qubit. O astfel de performanţă face spinurile nucleare atractive ca elemente de memorie într-un procesor cuantic.
Dar izolarea puternică este o sabie cu două tăișuri. Pentru a efectua logică multi-qubit și a genera entanglement — corelaţia nonclasică care stă la baza avantajului cuantic — qubiții trebuie să interacţioneze. Istoric, spinurile nucleare au fost cuplate prin partajarea aceleiași funcţii de undă a electronului: un electron localizat astfel încât să suprapună mai multe nuclee adiacente. Această abordare poate produce interacţiuni clare, cu fidelitate ridicată, dar este greu de scalat deoarece extinderea spaţială a electronului este limitată, iar controlul multor nuclee printr-un singur electron complică adresarea individuală a qubiților.
Progresul de la UNSW abordează acel blocaj de scalare prin separarea rolurilor de stocare și interacţiune: nucleele rămân foarte izolate, în timp ce electronii acţionează ca canale de comunicaţie controlabile, care pot fi mișcate, modelate și reglate prin tensiuni și structuri de porţi compatibile cu tehnologia pe bază de siliciu.
Experiment: "telefoanele" electronice și separări de 20 de nanometri
Arhitectura dispozitivului și fabricaţia
Dispozitivul demonstrator a folosit atomi de fosfor implantaţi cu precizie într-un substrat de siliciu ultra-pur și modelat cu porţi metalice tipice procesării CMOS avansate. Implantarea fosforului a fost efectuată de colaboratori de la University of Melbourne, iar substratul de siliciu a fost furnizat de parteneri de la Keio University; pașii de fabricaţie urmează procese deja standard în laboratoarele de cercetare ale industriei semiconductorilor.
Cum mediază electronii comunicaţia
În loc să forţeze mai multe nuclee să împartă un singur electron strict confinat, echipa a cuplat fiecare nucleu la propriul electron și a proiectat apoi o interacţiune între acei electroni. Electronii din semiconductori sunt obiecte cuantice care se pot extinde spaţial și pot interacţiona între ele. Prin modelarea funcţiilor de undă ale electronilor cu tensiuni la porţi și aplicarea unui protocol de control geometric (o poartă geometrică transmisă prin gradul de libertate al electronului), cercetătorii au făcut ca cei doi electroni să se suprapună sau să se influenţeze reciproc la distanţă.
Când fiecare electron este cuplat direct la un nucleu, o interacţiune electron-electron devine un canal eficient pentru comunicaţia nucleu-nucleu. În esenţă, electronii funcţionează ca "telefoane" controlabile: mediul intern al spinurilor nucleare rămâne liniștit și bine ecranat, în timp ce modurile electronice poartă interacţiunile care entanglează qubiții nucleari aflaţi la distanţă.
Nucleele din experiment au fost separate la aproximativ 20 de nanometri — cam o mieime din grosimea unui fir de păr uman. Deși mică în termeni absoluţi, această distanţă este comparabilă cu dimensiunile caracteristice folosite în tranzistorii comerciali actuali pe bază de siliciu și se află bine în raza de acţiune a litografiei moderne și a tehnicilor de plasare a implanturilor.
Rezultate cheie și implicaţii pentru procesoare cuantice scalabile
Rezultatul central este crearea de stări entanglate ale spinurilor nucleare între doi nuclei de fosfor la o separare de 20 nm folosind porți geometrice mediate de electroni. Acest entanglement este o resursă esenţială pentru algoritmi cuantici și coduri de corecţie a erorilor.
Deoarece qubiții nucleari rămân izolaţi pe perioade lungi, abordarea păstrează excelentele caracteristici de memorie cuantică în timp ce permite interacţiuni controlate între doi qubiți atunci când este necesar. Electronii acţionează ca mediatori rapizi și reglabili: pot fi repoziţionaţi sau reconfiguraţi electric, permiţând activarea și dezactivarea dinamică a interacţiunilor. Acest nivel de control este crucial pentru scalarea la sute de mii sau milioane de qubiți preconizaţi pentru procesoare cuantice tolerante la erori.
Experimentul înlătură o constrângere arhitecturală majoră: qubiții nucleari nu mai trebuie să împartă un singur electron pentru a interacţiona. În schimb, cuplarea poate fi stabilită între unităţi electron-nucleu controlate independent. Această modularitate se potrivește bine cu fluxurile de lucru la scară de cip ale semiconductorilor și sugerează că baza de producţie a semiconductorilor, evaluată la trilioane, ar putea fi adaptată pentru a produce procesoare cuantice pe bază de siliciu construite din blocuri de spinuri nucleare.
Avantaje tehnice și provocări rămase
Avantaje:
- Timpuri lungi de coerenţă: spinurile nucleare oferă memorie cuantică robustă, bine adaptată arhitecturilor corectate de erori.
- Compatibilitate cu fabricile de siliciu: dimensiunile dispozitivului (~20 nm) se aliniază cu mărimile caracteristice ale tranzistorilor contemporani, facilitând integrarea.
- Control electric al electronilor: electronii sunt ușor de mișcat și modelat electrostatic, permiţând operaţii rapide și cuplări selective.
Provocări care trebuie încă abordate includ:
- Extinderea acestei demonstraţii pe doi qubiți la matrice multi-qubit și scheme de rutare pentru legături mediate de electroni.
- Menţinerea ratelor scăzute de eroare în operaţii multi-qubit și integrarea cu circuite de citire și control la scară largă.
- Gestionarea interferenţelor (cross-talk) și a complexităţii calibrării pe măsură ce numărul legăturilor mediate de electroni crește.
Tehnologii conexe și comparaţii
Alte platforme de qubiți — circuite superconductoare, ioni capturaţi, puncte cuantice semiconductoare și centre colorate în diamant — echilibrează viteza, coerenţa și scalabilitatea în moduri diferite. Qubiții superconductori efectuează porți rapide dar necesită frigidere de diluare și se confruntă cu limitări de coerenţă; ionii capturaţi oferă coerenţă excelentă și porți cu fidelitate ridicată, dar sunt mai greu de integrat la scară de cip. Abordarea cu spinuri nucleare de fosfor în siliciu combină coerenţa excepţională cu un drum clar către fabricaţie compatibilă CMOS, poziţionând-o ca o opţiune convingătoare pentru memorie cuantică și coloana vertebrală a procesoarelor atunci când este combinată cu qubiți mediatori mai rapizi.
Datorită faptului că electronii pot fi modelaţi și repoziţionaţi prin tensiuni la porţi, sunt posibile și arhitecturi hibride: qubiți de spin electronic rapizi sau qubiți în puncte cuantice ar putea executa logica de mare viteză în timp ce spinurile nucleare oferă stocare pe termen lung și memorie corectată de erori. Rezultatul UNSW face aceste scheme hibride mai practice.
Perspective ale experţilor
Dr. Lian Park, specialist în hardware cuantic (ficţional), comentează: "Acest experiment demonstrează o cale pragmatică către scalare: păstrează cele mai bune memorii cuantice liniștite și folosește moduri electronice mobile ca legături controlate. Provocarea tehnică viitoare este proiectarea stratului de rutare și a celor pentru corecţie a erorilor care păstrează coerenţa în timp ce susţin operaţii entanglante cu debit mare. Compatibilitatea cu procesarea standard pe siliciu este un avantaj major — ne permite să împrumutăm decenii de know-how industrial pentru a construi hardware cuantic."
Calea înainte și perspective
Echipa UNSW notează că tehnica este robustă și extensibilă. Demonstraţia cu doi electroni poate fi generalizată prin adăugarea mai multor electroni sau prin alungirea funcţiilor de undă electronice pentru a cupla nuclee pe suprafeţe mai largi. Deoarece electronii sunt ușor de manipulat electric, intensităţile și duratele cuplării pot fi reglate rapid, permiţând secvenţele de porţi necesare algoritmilor cuantici și codurilor de corecţie a erorilor.
Obiectivele pe termen scurt includ integrarea mai multor qubiți în aranjamente liniare și bidimensionale, demonstrând porţi entanglante repetate cu fidelitate ridicată și arătând compatibilitatea cu scheme de citire multiplexate. Obiectivele pe termen lung se concentrează pe asamblarea acestor blocuri într-un mod tolerant la erori care poate fi tăiat pe un wafer.
Concluzie
Demonstraţia UNSW că electronii pot media entanglementul între spinuri nucleare la distanţe compatibile cu scalarea în siliciu reprezintă un avans tehnic semnificativ pentru calculul cuantic. Prin combinarea coerenţei lungi a qubiţilor de spin nuclear cu cuplarea controlată, mediată electric, via electroni, cercetătorii oferă un plan pentru construirea procesoarelor cuantice care sunt atât performante, cât și compatibile cu fabricaţia semiconductorilor existentă. Experimentul reduce un decalaj major între demonstraţiile din laborator ale coerenţei excepţionale a qubiţilor și ingineria practică necesară pentru sisteme cuantice la scară largă. Munca viitoare se va concentra pe extinderea numărului de qubiți cuplaţi, reducerea ratelor de eroare multi-qubit și integrarea acestor elemente în arhitecturi potrivite pentru calculul cuantic tolerant la erori.
Sursa: sciencedaily
Comentarii