Uma equipe de pesquisa russo-alemã criou um sensor quântico que concede acesso à medição e manipulação de defeitos individuais de dois níveis em qubits. O estudo da NUST MISIS, Russian Quantum Center e o Karlsruhe Institute of Technology, publicado em npj Quantum Information , pode abrir caminho para a computação quântica.

Na computação quântica, a informação é codificada em qubits. Qubits (ou bits quânticos), o análogo da mecânica quântica de um bit clássico, são sistemas coerentes de dois níveis. Uma modalidade de qubit líder hoje em dia é a supercondução de qubits com base na junção Josephson. Esse é o tipo de qubit que a IBM e o Google usam em seus processadores quânticos. Contudo, os cientistas ainda estão procurando o qubit perfeito - um que possa ser medido e controlado com precisão, sem ser afetado por seu ambiente.

O elemento chave de um qubit supercondutor é a junção de Josephson supercondutor-isolador-supercondutor em nanoescala. Uma junção Josephson é uma junção em túnel feita de duas peças de metal supercondutor separadas por uma barreira isolante muito fina. O isolante mais comumente usado é o óxido de alumínio.

As técnicas modernas não permitem construir um qubit com 100% de precisão, resultando nos chamados defeitos de dois níveis de tunelamento que limitam o desempenho de dispositivos quânticos supercondutores e causam erros computacionais. Esses defeitos contribuem para a vida útil extremamente curta de um qubit, ou decoerência.

Defeitos de encapsulamento em óxido de alumínio e nas superfícies de supercondutores são uma fonte importante de flutuações e perdas de energia em qubits supercondutores, em última análise, limitando o tempo de execução do computador. Quanto mais defeitos de material ocorrem, quanto mais eles afetam o desempenho do qubit, causando mais erros computacionais, os pesquisadores notaram.

O novo sensor quântico concede acesso à medição e manipulação de defeitos individuais de dois níveis em sistemas quânticos. De acordo com o Prof. Alexey Ustinov, Chefe do Laboratório de Supercondução de Metamateriais na NUST MISIS e Chefe do Grupo no Russian Quantum Center, quem é co-autor do estudo, o próprio sensor é um qubit supercondutor, e permite a detecção e manipulação de defeitos individuais. Técnicas tradicionais para estudar a estrutura do material, como espalhamento de raios-X de pequeno ângulo (SAXS), não são sensíveis o suficiente para detectar pequenos defeitos individuais, portanto, usar essas técnicas não ajudará a construir o melhor qubit. O estudo pode abrir caminhos para a espectroscopia de material quântico para investigar a estrutura de defeitos de tunelamento e desenvolver dielétricos de baixa perda que são urgentemente necessários para o avanço de computadores quânticos supercondutores, os pesquisadores acreditam.