Computadora cuántica de Kane

La computadora cuántica de Kane es una propuesta de computadora cuántica escalable presentada por Bruce Kane en 1998, ^{[ 1 ]} quien entonces trabajaba en la Universidad de Nueva Gales del Sur . Considerada a menudo como un híbrido entre computadoras cuánticas de puntos cuánticos y de resonancia magnética nuclear (RMN) , la computadora de Kane se basa en una matriz de átomos individuales de fósforo donadores incrustados en una red de silicio puro . Tanto los espines nucleares de los donantes como los espines de los electrones donantes participan en el cálculo.

A diferencia de muchos sistemas de computación cuántica, la computadora cuántica de Kane es, en principio, escalable a un número arbitrario de cúbits. Esto es posible porque los cúbits pueden ser direccionados individualmente mediante medios eléctricos.

La propuesta original contempla la colocación de donantes de fósforo en una matriz con una separación de 20 nm , aproximadamente a 20 nm por debajo de la superficie. Se cultiva una capa de óxido aislante sobre el silicio. Se depositan compuertas metálicas A sobre el óxido situado encima de cada donante, y compuertas J entre donantes adyacentes.  

Los donantes de fósforo son isotópicamente puros ^{de 31P} , con un espín nuclear de 1/2. El sustrato de silicio es isotópicamente puro ^{de 28Si} , con un espín nuclear de 0. El uso del espín nuclear de los donantes de P como método para codificar cúbits presenta dos ventajas principales. En primer lugar, el estado tiene un tiempo de decoherencia extremadamente largo , quizás del orden de ^10¹⁸ segundos a temperaturas de milikelvin . En segundo lugar, los cúbits pueden manipularse aplicando un campo magnético oscilante , como en las propuestas típicas de RMN. Al alterar el voltaje en las compuertas A, debería ser posible modificar la frecuencia de Larmor de cada donante. Esto permite controlarlos individualmente, haciendo que donantes específicos entren en resonancia con el campo magnético oscilante aplicado.

Los espines nucleares por sí solos no interactúan significativamente con otros espines nucleares a 20  nm de distancia. El espín nuclear es útil para realizar operaciones de un solo cúbit, pero para construir una computadora cuántica, también se requieren operaciones de dos cúbits. Este es el papel del espín electrónico en este diseño. Bajo el control de la compuerta A, el espín se transfiere del núcleo al electrón donador. Luego, se aplica un potencial a la compuerta J, atrayendo a los electrones donantes adyacentes a una región común, lo que mejora considerablemente la interacción entre los espines vecinos. Al controlar el voltaje de la compuerta J, es posible realizar operaciones de dos cúbits.

La propuesta de Kane para la lectura consistía en aplicar un campo eléctrico para fomentar el efecto túnel dependiente del espín de un electrón para transformar dos donantes neutros en un estado D ⁺ – D ^– , es decir, uno donde dos electrones se asocian con el mismo donante. El exceso de carga se detecta entonces mediante un transistor de un solo electrón . Este método tiene dos dificultades principales. En primer lugar, el estado D ^– tiene un fuerte acoplamiento con el entorno y, por lo tanto, un tiempo de decoherencia corto. En segundo lugar, y quizás más importante, no está claro que el estado D ^– tenga una vida útil suficientemente larga para permitir la lectura : el electrón atraviesa por efecto túnel la banda de conducción .

Desde la propuesta de Kane, bajo la dirección de Robert Clark y ahora de Michelle Simmons , la realización de la computadora cuántica de Kane se ha convertido en el principal esfuerzo de computación cuántica en Australia . ^{[ 2 ]} Los teóricos han presentado varias propuestas para mejorar la lectura. Experimentalmente, se logró la deposición de átomos de fósforo con precisión atómica utilizando una técnica de microscopía de efecto túnel (STM) en 2003. ^{[ 3 ]} También se logró la detección del movimiento de electrones individuales entre pequeños y densos cúmulos de donantes de fósforo. Si bien este grupo sigue siendo optimista sobre la posibilidad de construir una computadora cuántica de Kane práctica y a gran escala, otros creen que la idea necesita ser modificada. ^{[ 4 ]}

En 2020, Andrea Morello y otros demostraron que un núcleo de antimonio (con ocho estados de espín) incrustado en silicio podía controlarse mediante un campo eléctrico, en lugar de un campo magnético. ^{[ 5 ]}

• Computadora cuántica de cúbito de espín
• Computadora cuántica de resonancia magnética nuclear