Circuitos de microondas quânticos supercondutores podem funcionar como qubits, os blocos de construção de um futuro computador quântico. Um componente crítico desses circuitos, a junção Josephson, é normalmente feito com óxido de alumínio. Pesquisadores do departamento de Nanociência Quântica da Universidade de Tecnologia de Delft agora incorporaram com sucesso uma junção Josephson de grafeno em um circuito de micro-ondas supercondutor. Seu trabalho fornece uma nova visão sobre a interação da supercondutividade e do grafeno e suas possibilidades como um material para tecnologias quânticas.

O bloco de construção essencial de um computador quântico é o bit quântico, ou qubit. Ao contrário dos bits regulares, que pode ser um ou zero, qubits podem ser um, zero ou uma superposição de ambos os estados. Esta última possibilidade, que os bits podem estar em uma superposição de dois estados ao mesmo tempo, permite que os computadores quânticos funcionem de maneiras não possíveis com os computadores clássicos. As implicações são profundas:os computadores quânticos serão capazes de resolver problemas que um computador normal levará mais tempo do que a idade do universo para serem resolvidos.

Existem muitas maneiras de criar qubits. Um dos métodos experimentados e testados é o uso de circuitos de micro-ondas supercondutores. Esses circuitos podem ser projetados de forma que se comportem como osciladores harmônicos "Se colocarmos uma carga em um lado, ele vai passar pelo indutor e oscilar para frente e para trás, disse o professor Gary Steele.

Um elemento essencial dos circuitos de microondas quânticos é a chamada junção Josephson, que pode, por exemplo, consistem em um material não supercondutor que separa duas camadas de material supercondutor. Pares de elétrons supercondutores podem criar um túnel através desta barreira, de um supercondutor para o outro, resultando em uma supercorrente que pode fluir indefinidamente por muito tempo sem qualquer tensão aplicada.

Em junções Josephson de última geração para circuitos quânticos, o elo mais fraco é uma fina camada de óxido de alumínio que separa dois eletrodos de alumínio. "Contudo, estes só podem ser ajustados com o uso de um campo magnético, potencialmente levando a diafonia e aquecimento no chip, o que pode complicar seu uso em aplicativos futuros, "disse Steele. O grafeno oferece uma solução possível. Ele provou hospedar supercorrentes robustas em distâncias de mícrons que sobrevivem em campos magnéticos de até alguns Tesla. No entanto, esses dispositivos até agora estavam limitados a aplicações de corrente contínua (DC). Aplicações em circuitos de microondas, como qubits ou amplificadores paramétricos, não tinha sido explorado.

A equipe de pesquisa da Delft University of Technology incorporou uma junção de grafeno Josephson em um circuito de micro-ondas supercondutor. Ao caracterizar seu dispositivo no regime DC, eles mostraram que sua junção de grafeno Josephson exibe supercorrente balística que pode ser ajustada pelo uso de uma tensão de porta, o que evita que o dispositivo aqueça. Ao excitar o circuito com radiação de microondas, os pesquisadores observaram diretamente a indutância Josephson da junção, que até este ponto não eram diretamente acessíveis em dispositivos supercondutores de grafeno.

Os pesquisadores acreditam que as junções de grafeno Josephson têm o potencial de desempenhar um papel importante nos futuros computadores quânticos. "Resta saber se eles podem ser transformados em qubits viáveis, Contudo, "disse Steele. Embora as junções de grafeno fossem boas o suficiente para construir qubits, eles não eram tão coerentes quanto os circuitos quânticos tradicionais de microondas baseados em junções de óxido de alumínio, portanto, é necessário um maior desenvolvimento da tecnologia. Contudo, em aplicações que não requerem alta coerência, a sintonia do portão pode ser útil agora. Uma dessas aplicações é em amplificadores, que também são importantes na infraestrutura quântica. Steele:"Estamos muito entusiasmados com o uso desses dispositivos para aplicações de amplificadores quânticos."

Os autores disponibilizaram todos os dados publicados no manuscrito em um repositório aberto, incluindo o caminho de volta aos dados conforme eles foram medidos no instrumento. Além disso, os pesquisadores lançaram todo o software usado para medir os dados, analisando os dados, e fazer os gráficos nas figuras sob uma licença de código aberto.

Os resultados do estudo foram publicados em Nature Communications .