Siliciul ultra-pur: Cheia cipurilor cuantice de nouă generație
Siliciul pur poate învinge zgomotul atomic în calculul cuantic!
Oamenii de știință au reușit să creeze siliciu de o puritate excepțională, un pas esențial pentru dezvoltarea cipurilor cuantice de ultimă generație. Această inovație promite să depășească unul dintre cele mai mari obstacole în calea calculului cuantic.
Până acum, una dintre cele mai mari provocări în dezvoltarea calculatoarelor cuantice nu a fost neapărat procesorul sau software-ul, ci semnalele magnetice extrem de slabe emise de atomii din materialele folosite la fabricarea cipurilor. În tehnologiile bazate pe siliciu și germaniu, anumiți izotopi prezenți în mod natural generează un „zgomot” atomic. Acesta poate perturba qubit-urile – unitățile de informație fundamentale în calculul cuantic – determinându-le să-și piardă starea cuantică, adică informația stocată.
O echipă de cercetători de la Oak Ridge National Laboratory (ORNL) și Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), ambele sub egida Departamentului de Energie al SUA, a dezvoltat o metodă revoluționară. Aceasta permite producerea unor forme ultrapure de siliciu și germaniu, care conțin de peste 100 de ori mai puțini izotopi perturbatori decât materialele disponibile comercial. În cazul siliciului-28, puritatea atinsă este de 99,9999%, un nivel fără precedent.
Calculatoarele cuantice sunt incredibil de sensibile la mediul înconjurător.
Siliciu ultra-pur: Oare am rezolvat problema zgomotului cuantic?!
Chiar și cele mai mici fluctuații magnetice pot declanșa fenomenul de decoerență, prin care qubit-urile își pierd proprietățile cuantice și, implicit, informațiile pe care le dețin.
O sursă majoră a acestor perturbări o reprezintă izotopii naturali ai siliciului și germaniului.
De exemplu, siliciul conține, pe lângă siliciu-28, și cantități mici de siliciu-29.
Similar, germaniul include mai mulți izotopi, printre care germaniu-73. Spre deosebire de ceilalți izotopi, siliciul-29 și germaniul-73 au spin nuclear, o proprietate care îi face să se comporte ca niște mici magneți. Împreună, aceștia generează suficient zgomot magnetic pentru a afecta funcționarea qubit-urilor.
Siliciu pur, un viitor cuantic fără zgomot?
Deși cercetătorii știau de mult timp că eliminarea acestor izotopi ar îmbunătăți semnificativ performanța calculatoarelor cuantice, obținerea unor materiale atât de pure s-a dovedit extrem de dificilă.
Pentru a rezolva această problemă, specialiștii de la ORNL au utilizat o versiune modernizată a tehnologiei de separare izotopică, care sortează atomii în funcție de masă. Astfel, ei au reușit să elimine aproape complet siliciul-29 și germaniul-73, reducând concentrația acestora la mai puțin de o parte la un milion, conform publicației Testing Engineering.
Materialele rezultate au fost apoi trimise la PNNL, unde au fost transformate în SiH și GeH, gaze folosite în industria semiconductorilor pentru depunerea unor straturi extrem de subțiri de siliciu și germaniu pe cipuri. Cercetătorii au dezvoltat, de asemenea, un proces suplimentar de purificare pentru a preveni recontaminarea materialelor în timpul fabricației. Având în vedere că aceste gaze sunt periculoase, întregul proces este monitorizat automat prin sute de parametri, asigurând atât siguranța, cât și puritatea chimică.
Siliciul purificat, cheia viitorului cuantic?
Această nouă tehnologie ar putea avea un impact semnificativ asupra industriei americane, restaurând capacitatea internă de producție a materialelor strategice pentru calculul cuantic, o capacitate pierdută în mare măsură după dezafectarea instalațiilor istorice de separare izotopică în 1998. În plus, metoda poate fi adaptată și pentru obținerea altor izotopi utilizați în diverse arhitecturi cuantice, cum ar fi germaniu-70, germaniu-76 sau yterbiu-171.
Deși rezultatele sunt promițătoare, cercetătorii subliniază că mai sunt pași importanți de făcut.
Ei trebuie să demonstreze că aceste materiale ultrapure îmbunătățesc constant performanța calculatoarelor cuantice comerciale și să dezvolte metode prin care producția poate fi extinsă la scară industrială.
Potrivit Departamentului de Energie al SUA, următoarele etape se vor concentra pe simplificarea procesului de fabricație, reducerea riscului de contaminare și creșterea capacității de producție, ceea ce ar putea accelera dezvoltarea viitoarelor tehnologii cuantice.