O desenvolvimento de um computador quântico que pode resolver problemas, que os computadores clássicos só podem resolver com grande esforço ou não resolver - esse é o objetivo atualmente perseguido por um número cada vez maior de equipes de pesquisa em todo o mundo. O motivo:efeitos quânticos, que se originam do mundo das menores partículas e estruturas, permitir muitas novas aplicações tecnológicas. Os chamados supercondutores, que permitem o processamento de informações e sinais de acordo com as leis da mecânica quântica, são considerados componentes promissores para a realização de computadores quânticos. Um ponto crítico de nanoestruturas supercondutoras, Contudo, é que eles só funcionam em temperaturas muito baixas e, portanto, são difíceis de colocar em aplicações práticas.

Pesquisadores da Universidade de Münster e Forschungszentrum Jülich agora, pela primeira vez, demonstrou o que é conhecido como quantização de energia em nanofios feitos de supercondutores de alta temperatura - i. e. supercondutores, em que a temperatura é elevada abaixo da qual predominam os efeitos da mecânica quântica. O nanofio supercondutor então assume apenas estados de energia selecionados que poderiam ser usados ​​para codificar informações. Nos supercondutores de alta temperatura, os pesquisadores também puderam observar pela primeira vez a absorção de um único fóton, uma partícula de luz que serve para transmitir informações.

"Por um lado, nossos resultados podem contribuir para o uso de tecnologia de resfriamento consideravelmente simplificada em tecnologias quânticas no futuro, e por outro lado, eles nos oferecem percepções completamente novas sobre os processos que regem os estados supercondutores e sua dinâmica, que ainda não são entendidos, "enfatiza o líder do estudo Jun. Prof. Carsten Schuck do Instituto de Física da Universidade de Münster. Os resultados podem, portanto, ser relevantes para o desenvolvimento de novos tipos de tecnologia de computador. O estudo foi publicado na revista Nature Communications .

Antecedentes e métodos:

Os cientistas usaram supercondutores feitos de elementos ítrio, bário, óxido de cobre e oxigênio, ou YBCO para breve, a partir do qual eles fabricaram alguns fios finos nanométricos. Quando essas estruturas conduzem corrente elétrica, ocorrem dinâmicas físicas chamadas de 'deslizamentos de fase'. No caso de nanofios YBCO, flutuações da densidade do portador de carga causam variações na supercorrente. Os pesquisadores investigaram os processos nos nanofios a temperaturas abaixo de 20 Kelvin, o que corresponde a menos 253 graus Celsius. Em combinação com cálculos de modelo, eles demonstraram uma quantização dos estados de energia nos nanofios. A temperatura na qual os fios entraram no estado quântico foi encontrada entre 12 e 13 Kelvin - uma temperatura várias centenas de vezes mais alta do que a temperatura necessária para os materiais normalmente usados. Isso permitiu que os cientistas produzissem ressonadores, ou seja, sistemas oscilantes sintonizados para frequências específicas, com vidas muito mais longas e para manter os estados da mecânica quântica por mais tempo. Este é um pré-requisito para o desenvolvimento a longo prazo de computadores quânticos cada vez maiores.

Absorção de um único fóton em supercondutores de alta temperatura

Outros componentes importantes para o desenvolvimento de tecnologias quânticas, mas potencialmente também para diagnósticos médicos, são detectores que podem registrar até mesmo fótons únicos. O grupo de pesquisa de Carsten Schuck na Universidade de Münster vem trabalhando há vários anos no desenvolvimento de detectores de fóton único baseados em supercondutores. O que já funciona bem em baixas temperaturas, cientistas de todo o mundo vêm tentando alcançar supercondutores de alta temperatura há mais de uma década. Nos nanofios YBCO usados ​​para o estudo, esta tentativa foi bem-sucedida pela primeira vez. "Nossas novas descobertas abrem caminho para novas descrições teóricas e desenvolvimentos tecnológicos verificáveis ​​experimentalmente, "diz o co-autor Martin Wolff, do grupo de pesquisa Schuck.