El ordenador cuántico Kane es una propuesta de ordenador cuántico escalable propuesta por Bruce Kane en 1998, [1] que entonces trabajaba en la Universidad de Nueva Gales del Sur . El ordenador Kane, que suele considerarse un híbrido entre los ordenadores cuánticos de puntos cuánticos y los ordenadores cuánticos de resonancia magnética nuclear (RMN), se basa en una matriz de átomos donantes de fósforo individuales 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 esquemas de computación cuántica, la computadora cuántica de Kane es, en principio, escalable a una cantidad arbitraria de cúbits. Esto es posible porque los cúbits pueden ser direccionados individualmente por medios eléctricos.
La propuesta original prevé que los donantes de fósforo se coloquen en una matriz con un espaciamiento de 20 nm , aproximadamente 20 nm por debajo de la superficie. Se forma una capa de óxido aislante sobre el silicio. Se depositan puertas A de metal sobre el óxido por encima de cada donante y puertas J entre los donantes adyacentes.
Los donantes de fósforo son 31 P isotópicamente puro, que tienen un espín nuclear de 1/2. El sustrato de silicio es 28 Si isotópicamente puro que tiene espín nuclear 0. El uso del espín nuclear de los donantes de P como método para codificar qubits tiene dos ventajas principales. En primer lugar, el estado tiene un tiempo de decoherencia extremadamente largo , quizás del orden de 10 18 segundos a temperaturas de milikelvin . En segundo lugar, los qubits pueden manipularse aplicando un campo magnético oscilante , como en las propuestas típicas de RMN. Al alterar el voltaje en las puertas A, debería ser posible alterar la frecuencia de Larmor de los donantes individuales. Esto permite abordarlos individualmente , al poner a donantes específicos en resonancia con el campo magnético oscilante aplicado.
Los espines nucleares por sí solos no interactuarán significativamente con otros espines nucleares a 20 nm de distancia. El espín nuclear es útil para realizar operaciones de un solo cúbit, pero para hacer una computadora cuántica, también se requieren operaciones de dos cúbits. Este es el papel del espín del electrón en este diseño. Bajo el control de la compuerta A, el espín se transfiere del núcleo al electrón donante. Luego, se aplica un potencial a la compuerta J, atrayendo a los electrones donantes adyacentes a una región común, lo que mejora en gran medida la interacción entre los espines vecinos. Al controlar el voltaje de la compuerta J, son posibles las operaciones de dos cúbits.
La propuesta de Kane para la lectura fue aplicar un campo eléctrico para estimular la tunelización dependiente del espín de un electrón para transformar dos donantes neutros a un estado D + –D – , es decir, uno donde dos electrones se asocian con el mismo donante. El exceso de carga se detecta luego utilizando 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 corto tiempo de decoherencia. En segundo lugar, y quizás más importante, no está claro que el estado D – tenga una vida útil lo suficientemente larga como para permitir la lectura: el electrón se tuneliza hacia la banda de conducción .
Desde la propuesta de Kane, bajo la dirección de Robert Clark y ahora 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 una serie de propuestas para mejorar la lectura. Experimentalmente, se ha logrado la deposición de precisión atómica de átomos de fósforo utilizando una técnica de microscopio de efecto túnel de barrido (STM) en 2003. [3] También se ha logrado la detección del movimiento de electrones individuales entre pequeños y densos grupos de donantes de fósforo. El grupo sigue siendo optimista de que se puede construir una computadora cuántica práctica a gran escala. Otros grupos 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 utilizando un campo eléctrico, en lugar de un campo magnético. [5]