Durante anos, o nióbio foi considerado de baixo desempenho quando se tratava de qubits supercondutores. Agora, cientistas apoiados pela Q-NEXT encontraram uma maneira de projetar um qubit de alto desempenho baseado em nióbio e aproveitar as qualidades superiores do nióbio.



Quando se trata de tecnologia quântica, o nióbio está de volta.

Nos últimos 15 anos, o nióbio ficou parado depois de experimentar algumas tentativas medíocres como material central do qubit.

Qubits são os componentes fundamentais dos dispositivos quânticos. Um tipo de qubit depende da supercondutividade para processar informações.

Elogiado por suas qualidades superiores como supercondutor, o nióbio sempre foi um candidato promissor para tecnologias quânticas. No entanto, os cientistas acharam o nióbio difícil de projetar como um componente central do qubit, por isso foi relegado para a segunda corda no Team Superconducting Qubit.

Agora, um grupo liderado por David Schuster, da Universidade de Stanford, demonstrou uma maneira de criar qubits baseados em nióbio que rivalizam com o que há de mais moderno em sua classe.

“Mostramos que o nióbio é relevante novamente, ampliando as possibilidades do que podemos fazer com qubits”, disse Alexander Anferov, da divisão de Ciências Físicas da Universidade de Chicago, um dos principais cientistas do resultado.

O trabalho da equipe está publicado em Physical Review Applied .

Ao aproveitar as características destacadas do nióbio, os cientistas serão capazes de expandir as capacidades dos computadores, redes e sensores quânticos. Estas tecnologias quânticas baseiam-se na física quântica para processar informações de uma forma que supera as suas contrapartes tradicionais e espera-se que melhorem áreas tão variadas como a medicina, as finanças e as comunicações.

A vantagem do nióbio

Quando se trata de qubits supercondutores, o alumínio domina. Qubits supercondutores baseados em alumínio podem armazenar informações por um tempo relativamente longo antes que os dados se desintegrem inevitavelmente. Esses tempos de coerência mais longos significam mais tempo para processar informações.

Os tempos de coerência mais longos para um qubit supercondutor à base de alumínio são de algumas centenas de milionésimos de segundo. Por outro lado, nos últimos anos, os melhores qubits baseados em nióbio produziram tempos de coerência 100 vezes mais curtos – algumas centenas de bilionésimos de segundo.

Apesar da curta vida útil do qubit, o nióbio manteve atrações. Um qubit à base de nióbio pode operar em temperaturas mais altas do que seu equivalente em alumínio e, portanto, exigiria menos resfriamento. Ele também pode operar em uma faixa de frequência oito vezes maior e em uma faixa de campo magnético 18.000 vezes maior em comparação com qubits baseados em alumínio, expandindo o menu de usos para a família de qubits supercondutores.

Num aspecto, não houve competição entre os dois materiais:a faixa de operação do nióbio superou a do alumínio. Mas durante anos, o curto tempo de coerência tornou o qubit baseado em nióbio um fracasso.

“Ninguém realmente fez tantos qubits com junções de nióbio porque elas eram limitadas por sua coerência”, disse Anferov. "Mas nosso grupo queria fazer um qubit que pudesse funcionar em temperaturas mais altas e em uma faixa de frequência maior - em 1 K e 100 gigahertz. E para ambas as propriedades, o alumínio não é suficiente. Precisávamos de outra coisa."

Então, a equipe deu uma nova olhada no nióbio.

Perdendo a perda

Especificamente, eles deram uma olhada na junção Josephson do nióbio. A junção Josephson é o coração de processamento de informações do qubit supercondutor.

No processamento clássico de informações, os dados vêm em bits que são 0 ou 1. No processamento quântico de informações, um qubit é uma mistura de 0 e 1. A informação do qubit supercondutor “vive” como uma mistura de 0 e 1 dentro da junção. Quanto mais tempo a junção puder sustentar a informação nesse estado misto, melhor será a junção e melhor será o qubit.

A junção Josephson é estruturada como um sanduíche, consistindo de uma camada de material não condutor espremida entre duas camadas de metal supercondutor. Um condutor é um material que facilita a passagem da corrente elétrica. Um supercondutor aumenta ainda mais:ele transporta corrente elétrica com resistência zero. A energia eletromagnética flui entre as camadas externas da junção no estado quântico misto.

A típica e confiável junção Josephson de alumínio é feita de duas camadas de alumínio e uma camada intermediária de óxido de alumínio. Uma junção típica de nióbio é feita de duas camadas de nióbio e uma camada intermediária de óxido de nióbio.

O grupo de Schuster descobriu que a camada de óxido de nióbio da junção minou a energia necessária para sustentar estados quânticos. Eles também identificaram a arquitetura de suporte das junções de nióbio como uma grande fonte de perda de energia, fazendo com que o estado quântico do qubit desaparecesse.

A descoberta da equipe envolveu um novo arranjo de junção e uma nova técnica de fabricação.

O novo arranjo recorreu a um amigo familiar:o alumínio. O projeto eliminou o óxido de nióbio, que suga energia. E em vez de dois materiais distintos, utilizou três. O resultado foi uma junção de três camadas de baixa perda – nióbio, alumínio, óxido de alumínio, alumínio, nióbio.

“Fizemos esta abordagem do melhor dos dois mundos”, disse Anferov. “A fina camada de alumínio pode herdar as propriedades supercondutoras do nióbio próximo. Dessa forma, podemos usar as propriedades químicas comprovadas do alumínio e ainda ter as propriedades supercondutoras do nióbio.”

A técnica de fabricação do grupo envolveu a remoção de andaimes que sustentavam a junção de nióbio em esquemas anteriores. Eles encontraram uma maneira de manter a estrutura da junção e, ao mesmo tempo, se livrar do material estranho e indutor de perdas que dificultava a coerência nos projetos anteriores.

“Acontece que apenas se livrar do lixo ajudou”, disse Anferov.

Nasce um novo qubit

Depois de incorporar sua nova junção em qubits supercondutores, o grupo Schuster alcançou um tempo de coerência de 62 milionésimos de segundo, 150 vezes mais do que seus antecessores de nióbio de melhor desempenho. Os qubits também exibiram um fator de qualidade – um índice de quão bem um qubit armazena energia – de 2,57 x 10 ⁵ , uma melhoria de 100 vezes em relação aos qubits anteriores à base de nióbio e competitiva com os fatores de qualidade dos qubits à base de alumínio.

"Fizemos esta junção que ainda possui as boas propriedades do nióbio e melhoramos as propriedades de perda da junção", disse Anferov. “Podemos superar diretamente qualquer qubit de alumínio porque o alumínio é um material inferior em muitos aspectos. Agora tenho um qubit que não morre em temperaturas mais altas, o que é o grande problema.”

Os resultados provavelmente elevarão o lugar do nióbio na linha de materiais qubit supercondutores.

"Esta foi uma primeira incursão promissora, tendo ressuscitado junções de nióbio", disse Schuster. “Com o amplo alcance operacional dos qubits baseados em nióbio, abrimos um novo conjunto de capacidades para futuras tecnologias quânticas.”

Mais informações: Alexander Anferov et al, Coerência melhorada em qubits de junção tricamada de nióbio opticamente definidos, Physical Review Applied (2024). DOI:10.1103/PhysRevApplied.21.024047. No arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2306.05883
Fornecido pelo Laboratório Nacional Argonne