Pesquisadores do MIT e de outros lugares registraram, pela primeira vez, a "coerência temporal" de um qubit de grafeno - significando por quanto tempo ele pode manter um estado especial que lhe permite representar dois estados lógicos simultaneamente. A demonstração, que usava um novo tipo de qubit baseado em grafeno, representa um passo crítico à frente para a computação quântica prática, dizem os pesquisadores.

Bits quânticos supercondutores (simplesmente, qubits) são átomos artificiais que usam vários métodos para produzir bits de informação quântica, o componente fundamental dos computadores quânticos. Semelhante aos circuitos binários tradicionais em computadores, qubits podem manter um dos dois estados correspondentes aos bits binários clássicos, a 0 ou 1. Mas esses qubits também podem ser uma superposição de ambos os estados simultaneamente, que poderia permitir que os computadores quânticos resolvessem problemas complexos que são praticamente impossíveis para os computadores tradicionais.

A quantidade de tempo que esses qubits permanecem nesse estado de superposição é chamada de "tempo de coerência". Quanto maior o tempo de coerência, quanto maior a capacidade do qubit para calcular problemas complexos.

Recentemente, pesquisadores têm incorporado materiais à base de grafeno em dispositivos de computação quântica supercondutores, que prometem mais rápido, computação mais eficiente, entre outras vantagens. Até agora, Contudo, não houve coerência registrada para esses qubits avançados, portanto, não há como saber se eles são viáveis ​​para a computação quântica prática.

Em um artigo publicado hoje em Nature Nanotechnology , os pesquisadores demonstram, pela primeira vez, um qubit coerente feito de grafeno e materiais exóticos. Esses materiais permitem que o qubit mude de estado por meio da tensão, muito parecido com os transistores nos chips de computador tradicionais de hoje - e ao contrário da maioria dos outros tipos de qubits supercondutores. Além disso, os pesquisadores atribuem um número a essa coerência, cronometrando em 55 nanossegundos, antes que o qubit retorne ao seu estado fundamental.

O trabalho combinou a experiência dos co-autores William D. Oliver, um professor de física da prática e Lincoln Laboratory Fellow cujo trabalho se concentra em sistemas de computação quântica, e Pablo Jarillo-Herrero, o Cecil e Ida Green Professor de Física do MIT que pesquisa inovações em grafeno.

"Nossa motivação é usar as propriedades únicas do grafeno para melhorar o desempenho dos qubits supercondutores, "diz o primeiro autor Joel I-Jan Wang, pós-doutorado no grupo de Oliver no Laboratório de Pesquisa de Eletrônica (RLE) do MIT. "Nesse trabalho, mostramos pela primeira vez que um qubit supercondutor feito de grafeno é temporalmente quântico coerente, um requisito fundamental para a construção de circuitos quânticos mais sofisticados. O nosso é o primeiro dispositivo a mostrar um tempo de coerência mensurável - uma métrica primária de um qubit - que é longo o suficiente para ser controlado pelos humanos. "

Existem outros 14 co-autores, incluindo Daniel Rodan-Legrain, um estudante de graduação no grupo de Jarillo-Herrero que contribuiu igualmente para o trabalho com Wang; Pesquisadores do MIT da RLE, o Departamento de Física, o Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação, e Lincoln Laboratory; e pesquisadores do Laboratório de Sólidos Irradiados da École Polytechnique e do Laboratório de Materiais Avançados do Instituto Nacional de Ciência de Materiais.

Um sanduíche de grafeno puro

Os qubits supercondutores dependem de uma estrutura conhecida como "junção Josephson, "onde um isolador (geralmente um óxido) é imprensado entre dois materiais supercondutores (geralmente alumínio). Em projetos de qubit sintonizáveis ​​tradicionais, um loop de corrente cria um pequeno campo magnético que faz com que os elétrons saltem para frente e para trás entre os materiais supercondutores, fazendo com que o qubit mude de estado.

Mas esse fluxo de corrente consome muita energia e causa outros problemas. Recentemente, alguns grupos de pesquisa substituíram o isolante por grafeno, uma camada de carbono com a espessura de um átomo que é barata de produzir em massa e tem propriedades únicas que podem permitir mais rapidez, computação mais eficiente.

Para fabricar seu qubit, os pesquisadores se voltaram para uma classe de materiais, chamados de materiais de van der Waals - materiais atômicos finos que podem ser empilhados como Legos uns sobre os outros, com pouca ou nenhuma resistência ou dano. Esses materiais podem ser empilhados de maneiras específicas para criar vários sistemas eletrônicos. Apesar de sua qualidade de superfície quase impecável, apenas alguns grupos de pesquisa já aplicaram materiais de van der Waals a circuitos quânticos, e nenhum foi mostrado anteriormente para exibir coerência temporal.

Para sua junção Josephson, os pesquisadores imprensaram uma folha de grafeno entre as duas camadas de um isolante van der Waals chamado nitreto de boro hexagonal (hBN). Mais importante, o grafeno assume a supercondutividade dos materiais supercondutores que toca. Os materiais de van der Waals selecionados podem ser feitos para movimentar elétrons usando voltagem, em vez do campo magnético tradicional baseado em corrente. Portanto, o grafeno também - e todo o qubit também.

Quando a tensão é aplicada ao qubit, elétrons saltam para frente e para trás entre dois terminais supercondutores conectados por grafeno, mudando o qubit do estado fundamental (0) para o estado excitado ou de superposição (1). A camada inferior de hBN serve como substrato para hospedar o grafeno. A camada hBN superior encapsula o grafeno, protegendo-o de qualquer contaminação. Como os materiais são tão imaculados, os elétrons viajantes nunca interagem com defeitos. Isso representa o "transporte balístico" ideal para qubits, onde a maioria dos elétrons se movem de um chumbo supercondutor para outro sem espalhar com impurezas, fazendo um rápido, mudança precisa de estados.

Como a voltagem ajuda

O trabalho pode ajudar a resolver o "problema de dimensionamento do qubit, "Diz Wang. Atualmente, apenas cerca de 1, 000 qubits podem caber em um único chip. Ter qubits controlados por voltagem será especialmente importante, pois milhões de qubits começam a ser amontoados em um único chip. "Sem controle de tensão, você também precisará de milhares ou milhões de loops atuais, e isso ocupa muito espaço e leva à dissipação de energia, " ele diz.

Adicionalmente, controle de tensão significa maior eficiência e mais localizada, direcionamento preciso de qubits individuais em um chip, sem "conversa cruzada". Isso acontece quando um pouco do campo magnético criado pela corrente interfere com um qubit que não está mirando, causando problemas de computação.

Por enquanto, o qubit dos pesquisadores tem um breve tempo de vida. Para referência, qubits supercondutores convencionais que são promissores para a aplicação prática documentaram tempos de coerência de algumas dezenas de microssegundos, algumas centenas de vezes maior do que o qubit dos pesquisadores.

Mas os pesquisadores já estão tratando de vários problemas que causam esse curto tempo de vida, a maioria dos quais requer modificações estruturais. Eles também estão usando seu novo método de sondagem de coerência para investigar melhor como os elétrons se movem balisticamente em torno dos qubits, com o objetivo de estender a coerência dos qubits em geral.