Os computadores convencionais armazenam informações em pouco tempo, uma unidade fundamental de lógica que pode assumir um valor de 0 ou 1. Os computadores quânticos dependem de bits quânticos, também conhecido como "qubits, "como seus blocos de construção fundamentais. Os bits em computadores tradicionais codificam um único valor, ou 0 ou 1. O estado de um qubit, por contraste, pode ter simultaneamente um valor de 0 e 1. Esta propriedade peculiar, uma consequência das leis fundamentais da física quântica, resulta na dramática complexidade dos sistemas quânticos.

A computação quântica é um campo nascente e em rápido desenvolvimento que promete usar essa complexidade para resolver problemas difíceis de resolver com computadores convencionais. Um grande desafio para a computação quântica, Contudo, é que exige que um grande número de qubits trabalhe em conjunto - o que é difícil de realizar, ao mesmo tempo que evita interações com o ambiente externo que roubariam os qubits de suas propriedades quânticas.

Nova pesquisa do laboratório de Oskar Painter, John G Braun Professor de Física Aplicada e Física na Divisão de Engenharia e Ciências Aplicadas, explora o uso de metamateriais supercondutores para superar esse desafio.

Metamateriais são especialmente projetados combinando materiais de múltiplos componentes em uma escala menor do que o comprimento de onda da luz, dando-lhes a capacidade de manipular como as partículas de luz, ou fótons, comporte-se. Metamateriais podem ser usados ​​para refletir, vez, ou focalizar feixes de luz de quase qualquer maneira desejada. Um metamaterial também pode criar uma banda de frequência onde a propagação de fótons se torna totalmente proibida, um chamado "bandgap fotônico".

A equipe do Caltech usou um bandgap fotônico para capturar fótons de micro-ondas em um circuito quântico supercondutor, criando uma tecnologia promissora para a construção de futuros computadores quânticos.

"Em princípio, este é um substrato escalável e flexível no qual construir circuitos complexos para interconectar certos tipos de qubits, "diz Painter, líder do grupo que conduziu a pesquisa, que foi publicado em Nature Communications em 12 de setembro. "Não só se pode brincar com o arranjo espacial da conectividade entre os qubits, mas também se pode projetar a conectividade para ocorrer apenas em certas frequências desejadas. "

Painter e sua equipe criaram um circuito quântico que consiste em filmes finos de um supercondutor - um material que transmite corrente elétrica com pouca ou nenhuma perda de energia - traçado em um microchip de silício. Esses padrões supercondutores transportam as microondas de uma parte do microchip para outra. O que faz o sistema operar em um regime quântico, Contudo, é o uso de uma chamada junção Josephson, que consiste em uma camada não condutora atomicamente fina ensanduichada entre dois eletrodos supercondutores. A junção Josephson cria uma fonte de fótons de microondas com dois estados distintos e isolados, como a base de um átomo e estados eletrônicos excitados, que estão envolvidos na emissão de luz, ou, na linguagem da computação quântica, um qubit.

"Circuitos quânticos supercondutores permitem realizar experimentos eletrodinâmicos quânticos fundamentais usando um circuito elétrico de micro-ondas que parece que poderia ter sido arrancado diretamente de seu telefone celular, "Diz Painter." Acreditamos que aumentar esses circuitos com metamateriais supercondutores pode permitir futuras tecnologias de computação quântica e promover o estudo de sistemas quânticos mais complexos que estão além de nossa capacidade de modelar usando até mesmo as mais poderosas simulações de computador clássicas. "

O artigo é intitulado "Metamateriais supercondutores para eletrodinâmica quântica de guia de ondas".