Realizando qubits limpos para computadores quânticos usando elétrons em hélio

Ilustração representando um qubit feito de um elétron (pequena esfera) flutuando em hélio (bloco cinza). Esses qubits poderiam formar a base dos computadores quânticos. Crédito:Centro RIKEN de Computação Quântica

Os futuros computadores quânticos poderiam ser baseados em elétrons flutuando acima do hélio líquido, de acordo com um estudo realizado por um físico e colaboradores da RIKEN, publicado na Physical Review Applied .

Os computadores de hoje baseiam-se no transporte de elétrons no silício. Os elétrons no silício também poderiam formar a base de uma espécie completamente diferente de computadores – os computadores quânticos. Numerosos esforços estão em andamento para realizar computadores quânticos usando elétrons em vários cristais de estado sólido, começando com o silício.

Ao explorar a natureza quântica de pequenos objetos, os computadores quânticos prometem revolucionar a computação, resolvendo problemas intratáveis usando os supercomputadores mais poderosos disponíveis atualmente.

Embora os esforços para criar qubits usando elétrons em cristais de estado sólido tenham alcançado um sucesso significativo, aumentar o número de qubits (o equivalente quântico de bits) é um desafio porque defeitos e impurezas em cristais de estado sólido criam potenciais elétricos imprevisíveis, dificultando a produção. muitos qubits uniformes.

Uma maneira de superar esse problema seria usar elétrons flutuando no vácuo como qubits, uma vez que o vácuo é livre de defeitos.

“Os cristais de estado sólido sempre terão alguns defeitos, o que significa que não podemos criar um ambiente perfeito para os elétrons”, diz Erika Kawakami, do Centro RIKEN de Computação Quântica. “Isso é problemático se quisermos criar muitos qubits uniformes. E por isso é melhor ter qubits no vácuo.”

Em 1999, pesquisadores propuseram teoricamente realizar pela primeira vez qubits baseados em elétrons flutuando em hélio líquido. Neste sistema físico, os elétrons flutuam no vácuo ligeiramente acima da superfície do hélio líquido. Esta foi uma proposta inovadora, mas limitou-se às operações básicas de portas quânticas porque a investigação em computadores quânticos ainda estava na sua infância.

Agora, num estudo teórico, a equipe mostrou como as portas quânticas podem ser realizadas de forma mais concreta usando elétrons flutuando acima do hélio líquido.

Central para sua proposta é um qubit híbrido envolvendo o estado de carga quantizado verticalmente e o estado de spin de um elétron flutuante. O estado de carga do elétron permite que ele seja facilmente manipulado em distâncias moderadas usando um campo elétrico, enquanto o estado de spin pode ser usado para armazenar dados de forma estável. A interação entre os estados de spin e carga do elétron permite que os dados sejam transferidos entre as duas propriedades do elétron.

“Propomos como realizar portas de um e dois qubits usando elétrons em hélio e estimamos suas fidelidades”, diz Kawakami. "Também especificamos como podemos aumentar o número de qubits. Isso é algo novo."

Seu sistema usa uma série de minúsculos pilares ferromagnéticos para capturar elétrons acima do hélio. Deveria ser possível espremer mais de 10 milhões de qubits em uma área do tamanho de um selo postal.

A equipa pretende agora abraçar o desafio de implementar experimentalmente a sua proposta.

Mais informações: Erika Kawakami et al, Projeto para computação quântica usando elétrons em hélio, Physical Review Applied (2023). DOI:10.1103/PhysRevApplied.20.054022. No arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2303.03688
Informações do diário: Revisão Física Aplicada , arXiv

Fornecido por RIKEN

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