O Departamento de Energia dos EUA (DOE) financiou recentemente o Laboratório Nacional de Argonne do DOE e a Universidade de Illinois Champaign-Urbana (UIUC) em um novo projeto relacionado à ciência da informação quântica. A equipe da Argonne trará para o projeto sua experiência em acoplamento de sistemas supercondutores e magnéticos. A equipe da UIUC contribuirá com seus recursos de classe mundial para o desenvolvimento de novos materiais magnéticos para sistemas quânticos.

"A ciência da informação quântica promete maneiras novas e diferentes nas quais os cientistas podem processar e manipular informações para detecção, transferência de dados e computação, "disse Valentine Novosad, um cientista sênior na divisão de Ciência de Materiais da Argonne. "A UIUC é um parceiro perfeito para realizarmos descobertas revolucionárias nesta área."

No campo emergente da ciência da informação quântica, microondas podem desempenhar um papel fundamental porque suas propriedades físicas lhes permitem fornecer a funcionalidade quântica desejada em temperaturas próximas do zero absoluto (menos 460 graus Fahrenheit) - uma necessidade porque o calor cria erros nas operações quânticas. Contudo, microondas são suscetíveis a ruído, que é a energia indesejada que perturba a transmissão de sinal e dados.

A equipe de pesquisa estará explorando se os magnons podem se associar com fótons de microondas para garantir que as microondas possam viajar apenas em uma direção, eliminando assim essencialmente o ruído. Os magnons são as excitações fundamentais dos ímãs. Por contraste, os fótons de micro-ondas resultam de excitações eletrônicas que produzem ondas como as de um forno de micro-ondas.

Os cientistas de Argonne desenvolverão seus esforços anteriores para criar um circuito supercondutor integrado com elementos magnéticos. Os magnons e fótons falam uns com os outros por meio desse dispositivo supercondutor. A supercondutividade - a ausência completa de resistência elétrica - permite o acoplamento de magnons e fótons de microondas perto do zero absoluto.

"Esta capacidade apresenta oportunidades únicas para a manipulação de informações quânticas, "explicou Yi Li, um pós-doutorado nomeado na divisão de Ciência de Materiais da Argonne.

No passado, Argonne desempenhou papéis importantes no desenvolvimento de detectores e sensores supercondutores para a compreensão do funcionamento do universo no nível mais fundamental. "Vamos nos beneficiar do valioso conhecimento adquirido nesses projetos de grande sucesso em cosmologia e física de partículas, "Novosad disse.

Os pesquisadores da UIUC estarão em busca de ímãs que funcionem em temperaturas ultracold. Eles testarão sistemas de materiais novos e conhecidos para encontrar candidatos que possam lidar com um ambiente ultracold e operar em um dispositivo quântico real.

"Muitos ímãs funcionam bem com microondas em temperatura ambiente", disse Axel Hoffmann, Professor fundador em Engenharia da UIUC e líder deste projeto. “Precisamos de materiais que funcionem bem em temperaturas muito mais baixas, o que pode mudar completamente suas propriedades. "

"Se tivermos sucesso nesses três anos, teremos estruturas magnéticas diretamente integradas com circuitos quânticos, "Hoffmann disse." Este trabalho também pode se aplicar a dispositivos não quânticos para detecção e comunicação, como nas tecnologias Wi-Fi ou Bluetooth. "

Este novo projeto é outro exemplo de como Argonne e UIUC estão liderando o caminho em direção a um futuro quântico. Argonne não apenas conduz pesquisas interdisciplinares dentro de seu grande portfólio de projetos QIS, mas também lidera o Q-NEXT, um dos cinco centros de pesquisa QIS DOE estabelecidos em agosto de 2020. Da mesma forma, UIUC suporta uma ampla gama de projetos de informação quântica, como Q-NEXT, por meio do Centro de Ciência e Tecnologia da Informação Quântica de Illinois (IQUIST).