Cómo el vacío permite el futuro de la computación cuántica 28 de septiembre de 2020

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El siglo 21 se denomina ahora la Edad Cuántica. Ya sea a través de modelos financieros, ciberseguridad o inteligencia artificial, las ventajas de la computación cuántica ya se están realizando.

Los qubits en los ordenadores cuánticos pueden superar drásticamente las técnicas clásicas al combinar estados de 1 y 0, en lugar de existir como uno u otro, lo que permite el cálculo a velocidades increíbles.

Para ello, explotan el extraño comportamiento de la materia a nivel atómico, es decir, la superposición y el enredo. No es de extrañar que el hardware utilizado sea extremadamente frágil y vulnerable a las perturbaciones, por lo que es difícil preparar y controlar estados cuánticos precisos. Algunos componentes deben enfriarse hasta casi cero absoluto, mientras que otros deben almacenarse en un vacío ultraalto (UHV).

2020 ha sido un año muy desafiante para la mayoría, pero ha habido un pequeño límite para varios investigadores cuánticos que han sido capaces de capitalizar el estado de “ciudad fantasma” de los laboratorios universitarios y, por lo tanto, la ausencia de ruido y vibraciones, exactamente lo que los qubits necesitan para evitar la decoherencia (pérdida de comportamiento cuántico hacia el medio ambiente). Cualquier interacción entre el qubit y su entorno puede sacarlo del estado de superposición o enredo. Por lo tanto, ser capaz de crear y mantener una UHV adecuada es fundamental. (para garantizar la seguridad de su equipo y la eficiencia de su proceso, lea lo que necesita saber sobre el trabajo con alta tensión y alta tensión ultraalta).

Trampa de iones

La superposición es la capacidad de los átomos o iones de estar en múltiples estados simultáneamente y el enredo es una conexión compartida única entre 2 qubits. Existen muchas formas de producir enredos, incluida la aproximación de dos partículas, la realización de una operación para enredarlas y su separación. No importa lo lejos que estén, siempre darán el mismo resultado. Las operaciones se pueden realizar enfriando los átomos o iones hasta casi cero absoluto y manipulándolos con láseres de precisión dentro de una cámara UHV.

El volumen interno de estas cámaras UHV puede ser tan pequeño como unos pocos centímetros cúbicos, pero independientemente del tamaño, la tecnología de vacío existe para lograr las condiciones necesarias. Las bombas de pulverización catódica de iones, por ejemplo, la gama TiTan de “pequeño perfil” de Gamma Vacuum, son un método aceptado para producir y mantener condiciones de UHV con velocidades de bombeo que van desde la miniatura de 0,2 l/s hasta 75 l/s. Con estas bombas y, opcionalmente, una bomba de sublimación de titanio (TSP) utilizada junto con el bombeo de refuerzo, se puede lograr un nivel de vacío más raro que el espacio exterior.

Bombas de iones TiTan

Circuitos superconductores

Cuando se trata de escalar una solución, el fenómeno de las trampas de iones para almacenar información cuántica no está tan demostrado como producir los qubits como parte de un circuito superconductor, utilizando comúnmente los superconductores niobio y aluminio como condensador e inductor, respectivamente. La fabricación de estos circuitos de película delgada superconductores solo se puede lograr mediante técnicas de vacío, como la deposición de capa atómica, la deposición por láser pulsado y la deposición física de vapor mediante pulverización catódica de magnetrón o evaporación por haz de electrones.

Los dispositivos superconductores tienen propiedades únicas en que se vuelven conductores a una cierta temperatura. Hoy en día, los refrigeradores de dilución son un método aceptado para mantener las temperaturas extremadamente bajas, en el orden del milikelvin (incluso más frías que el espacio exterior). Este es otro proceso, además de los sistemas sin criógeno, que requiere que las bombas de vacío reciclen y compriman el helio-3 vaporizado antes de volver a diluirlo con helio-4, así como proporcionar aislamiento de vacío interno y externo.

Técnicas de vacío modernas

Una bomba de iones de pulverización catódica y TSP deben funcionar a presiones inferiores a aproximadamente 5E-4 mbar (dependiendo del tipo de elemento) porque la energía eléctrica necesaria para ionizar las muchas partículas a presiones más altas sería demasiado grande para la fuente de alimentación. Por lo tanto, es esencial un bombeo previo adecuado mediante bombas de vacío previo y bombas turbomoleculares.

La bomba de lóbulos multietapa exenta de aceite ECODRY plus de Leybold muestra una vibración y un ruido extremadamente bajos, sin necesidad de mantenimiento durante varios años en aplicaciones limpias. La combinación con una bomba turbomolecular de bajas vibraciones con cojinetes magnéticos (así como fuelles que absorben las vibraciones para mejorar aún más la estabilidad) lo convierte en la configuración perfecta para un sistema limpio y sin vibraciones, y reduce la necesidad de aislar el sistema UHV de un sistema de vacío preliminar independiente.

ECODRY plus

Al nivel de vacío requerido para trampas de iones, el hidrógeno es el principal gas residual y desempeña un papel desagradable a la hora de mantener la UHV, ya que se revela a partir de los componentes internos de metal. Por lo tanto, se requieren largos procedimientos de horneado, a veces hasta semanas, para eliminar el exceso de hidrógeno del interior de los componentes utilizados. En la experimentación, esto puede ser un verdadero punto débil, especialmente si el sistema se abre y cierra repetidamente a la atmósfera. Una forma de mejorar el bombeo hasta las condiciones de UHV y minimizar los efectos de la tasa de desorción es introducir el bombeo criogénico utilizando placas frías que tengan una tasa de adsorción más alta. Esto permite un bombeo más rápido a UHV y se puede lograr con cabezales fríos de ciclo cerrado Gifford-McMahon, por ejemplo, la gama COOLPOWER de Leybold, que expande y comprime el helio para alcanzar temperaturas criogénicas.

COOLPOWER 140 i

El helio desempeña otro papel útil a la hora de detectar fugas y su ubicación. La comprobación de fugas de helio en sistemas UHV es el método más avanzado de detección de fugas y es fundamental para garantizar que mantengan la integridad del vacío durante toda su vida útil. Por lo tanto, un ion atrapado puede permanecer inalterado por cualquier cosa que no sea el haz láser o de microondas. La gama PHOENIX de Leybold es la más innovadora en tecnología de detección de fugas, ya que satisface con precisión y rapidez los crecientes requisitos de calidad de la investigación cuántica actual.

Leybold lleva décadas proporcionando soluciones a medida para técnicas de deposición de película fina a través de la gama UNIVEX. Los materiales superconductores de alta pureza se pueden formar a un grado preciso de grosor, adecuado para los circuitos en computadoras cuánticas. Se pueden especificar fuentes de pulverización catódica de magnetrón de CC o RF, pistola de haz electrónico y/o deposición asistida por iones junto con calentamiento/enfriamiento y rotación del sustrato, y control completo del sistema.

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