Cómo convertir vacantes en información cuántica

Los hallazgos del equipo podrían ayudar a diseñar materiales cuánticos industrialmente relevantes para la detección, la computación y la comunicación.

«Vacante» es un letrero que querrá ver cuando busque una habitación de hotel en un viaje por carretera. Cuando se trata de temas cuantitativos, las vacantes laborales también son algo que querrá ver. Los científicos los hacen eliminando átomos en materiales cristalinos. Estas vacantes pueden ser unidades cuánticas o qubit, la unidad básica de la tecnología cuántica.

Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y la Universidad de Chicago han logrado un gran avance que ayudará a allanar el camino para mejorar drásticamente el control sobre la formación de vacantes en el carburo de silicio, un semiconductor.

Los semiconductores son el material que se encuentra detrás del cerebro en los teléfonos celulares, computadoras, equipos médicos y más. Para esas aplicaciones, los defectos de escala atómica en forma de vacantes son indeseables, ya que pueden interferir con el rendimiento. Según estudios recientes, ciertos tipos de vacantes en carburo de silicio y otros semiconductores son prometedores para la realización de qubits en dispositivos cuánticos. Las aplicaciones de los qubits pueden incluir redes de comunicación impenetrables y sensores altamente sensibles capaces de detectar moléculas o células individuales. También es posible que en el futuro haya nuevos tipos de computadoras capaces de resolver problemas complejos más allá del alcance de las computadoras clásicas.

«Recién estamos comenzando. Queremos poder realizar nuestros cálculos más rápido, simular muchos defectos e identificar los mejores defectos para diferentes aplicaciones». – Julia Galley, asignación conjunta con Argonne y la Universidad de Chicago

“Los científicos ya saben cómo producir vacantes valoradas en qubit en semiconductores como el carburo de silicio y el diamante”, dijo Julia Galley, científica principal del Departamento de Ciencia de Materiales de Argonne y profesora de Ingeniería y Química Molecular en la Universidad de Chicago. «Pero para nuevas aplicaciones cuánticas prácticas, todavía necesitan aprender más sobre cómo personalizar estas vacantes con las características requeridas».

En los semiconductores de carburo de silicio, las vacantes individuales ocurren cuando se eliminan átomos individuales de silicio y carbono en la red cristalina. Es importante destacar que la vacante de carbono se puede acoplar con la vacante de silicio adyacente. Esta función dual, llamada divacancy, es un candidato principal para qubits en carburo de silicio. El problema era que el rendimiento de la conversión de vacantes en vacantes era bajo, en un pequeño porcentaje. Los científicos se apresuran a desarrollar un camino para aumentar este rendimiento.

«Para crear defectos reales en una muestra, se le dispara un haz de electrones de alta velocidad y esto elimina los átomos individuales», explicó Elizabeth Lee, investigadora postdoctoral en la Escuela de Ingeniería Molecular UChicago Pritzker. «Pero este bombardeo electrónico también crea fallas no deseadas».

Los científicos pueden remediar estos defectos tratando la muestra a temperaturas muy altas, por encima de los 1.300 grados Fahrenheit, y enfriándola a temperatura ambiente. El truco consiste en desarrollar un proceso que preserve los defectos deseados y trate los defectos no deseados.

«Al ejecutar simulaciones por computadora a nivel atómico con computadoras de alto rendimiento, podemos ver cómo se forman, se mueven, desaparecen y rotan los defectos en una muestra a lo largo del tiempo a diferentes temperaturas», dijo Lee. «Esto es algo que no se puede hacer empíricamente, en este momento».

Con la ayuda de un conjunto de sofisticadas herramientas computacionales, las simulaciones del equipo rastrearon el acoplamiento de las vacantes individuales con valores absolutos. Sus esfuerzos han cosechado una cosecha de descubrimientos fundamentales que deberían allanar el camino para nuevos dispositivos cuánticos. Una es que cuanto mayor sea el número de vacantes de silicio en comparación con las vacantes de carbono al comienzo del tratamiento térmico, mayor será el número de vacantes a partir de entonces. Otra es determinar las mejores temperaturas para crear envolturas estables y cambiar su orientación dentro de la estructura cristalina sin destruirla.

Los científicos pueden utilizar el último hallazgo para alinear a todas las divas en la misma dirección. Esto sería muy deseable para aplicaciones de detección capaces de operar en muchas veces la resolución de los sensores de corriente.

«El descubrimiento emocionante y totalmente inesperado fue que las aventuras pueden convertirse en un tipo de defecto completamente nuevo», agregó Lee. Estos defectos recién descubiertos consisten en dos vacantes de carbono emparejadas con lo que los científicos llaman antisitio. Este es el sitio donde el átomo de carbono llena el espacio dejado abierto al eliminar el átomo de silicio.

Las simulaciones del equipo, las primeras de su tipo, fueron posibles gracias al desarrollo de nuevos algoritmos de simulación y códigos informáticos de emparejamiento desarrollados por el Centro Integrado de Materiales Computacionales del Medio Oeste financiado por el Departamento de Energía (MICCoM), dirigido por Galle con sede en Argonne. Los nuevos algoritmos, que se basan en conceptos del aprendizaje automático, una forma de inteligencia artificial, son desarrollados por Juan de Pablo, científico jefe del Departamento de Ciencia de Materiales y profesor de Ingeniería Molecular en la Universidad de Chicago.

“La formación y movimiento de vacantes o defectos en semiconductores son lo que llamamos eventos raros”, dijo de Pablo. Tales eventos ocurren en escalas de tiempo que son demasiado largas para ser estudiadas en simulaciones moleculares tradicionales, incluso en la computadora más rápida del planeta. Es fundamental que desarrollemos nuevas formas de mejorar la ocurrencia de estos eventos sin cambiar la física subyacente. Esto es lo que hacen nuestros algoritmos. Hacen posible lo imposible «.

Lee vinculó los distintos símbolos, basándose en el trabajo de los científicos del MICCoM Galley y de Pablo. A lo largo de los años, muchos otros científicos también se han involucrado en el acoplamiento de códigos, incluidos François Gigi en la Universidad de California en Davis y Jonathan Whitmer en la Universidad de Notre Dame. El resultado es un nuevo conjunto de herramientas importante y poderoso que combina la teoría cuántica y la simulación para investigar la formación y el comportamiento de las vacantes. Esto sería aplicable no solo al carburo de silicio, sino a otros materiales cuánticos prometedores.

«Estamos sólo al principio», dijo Galle. «Queremos poder realizar nuestros cálculos más rápido, simular muchos defectos e identificar los mejores defectos para diferentes aplicaciones».

El artículo del equipo, «Stability and Molecular Pathways to Formation of Spin Defects in Silicon Carbide», apareció en Comunicaciones de la naturaleza. El becario postdoctoral Alvin Yu, de la Universidad de Chicago, también contribuyó. Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía. Las simulaciones por computadora extensivas utilizaron varios recursos de computación de alto rendimiento: Bebop en el Centro de Recursos de Computación del Laboratorio de Argonne; Argonne Command Computing Facility (ALCF), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE; El Centro de Investigación en Computación de la Universidad de Chicago. El equipo obtuvo acceso a los recursos informáticos de ALCF a través del innovador y nuevo Impacto Computacional en la Teoría y el Experimento del Departamento de Energía, o INCITE.

Instalación de Computación de Liderazgo de Argonne Proporciona capacidades de supercomputación a la comunidad científica y de ingeniería para promover el descubrimiento y la comprensión fundamentales en una amplia gama de disciplinas. Con el apoyo de la Oficina de Ciencias, el programa de Investigación en Computación Científica Avanzada (ASCR) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), ALCF es una de las dos instalaciones informáticas líderes del Departamento de Energía del Estado dedicadas a la ciencia abierta.

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