A tecnologia quântica poderia superar os computadores convencionais em algumas tarefas computacionais e de otimização avançada. Nos últimos anos, os físicos têm trabalhado para identificar novas estratégias para criar sistemas quânticos e qubits promissores (ou seja, unidades básicas de informação em computadores quânticos).



Pesquisadores do Instituto de Sistemas Complexos do CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche), do Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos e de outros institutos em todo o mundo introduziram recentemente um novo qubit supercondutor e desviado capacitivamente, que apelidaram de "flowermon". Este qubit, apresentado em Cartas de Revisão Física , é baseado em heteroestruturas torcidas de cuprato van der Waals.

“O projeto surgiu por um bom acaso, durante uma tentativa de combinar as linguagens de nossos diferentes conhecimentos de conversação”, disse Uri Vool, coautor do artigo, ao Phys.org. "A motivação inicial foi o trabalho recente do nosso colaborador Nicola Poccia, que conseguiu alcançar uma 'heteroestrutura torcida de van der Waals' onde podem controlar o ângulo entre camadas individuais no novo supercondutor cuprato BSCCO sem arruinar as suas propriedades únicas.

"Nicola Poccia perguntou a mim e a Valentina Brosco se isso poderia ser usado de alguma forma como um qubit ou dispositivo para tecnologia quântica. Inicialmente eu estava bastante cético, mas isso levou a várias sessões de brainstorming entre Valentina e eu que eventualmente convergiram para a ideia apresentada em nosso jornal."

A maioria dos experimentos destinados à criação de circuitos supercondutores quânticos empregou materiais supercondutores convencionais e extensivamente estudados, como alumínio ou nióbio. Por volta do ano 2000, no entanto, alguns físicos teóricos exploraram a ideia de introduzir circuitos supercondutores protegidos contra ruído que aproveitassem a simetria única dos supercondutores não convencionais.

Como a realização desta ideia em ambientes experimentais parecia inviável na época, estes trabalhos teóricos foram abandonados durante vários anos. O recente estudo de Vool, Poccia, Brosco e seus colegas traz de volta essa ideia para criar um novo qubit supercondutor.

“À medida que os circuitos supercondutores se desenvolveram, houve várias propostas para criar circuitos com proteção contra ruído, projetando os elementos do circuito de uma forma que alcançasse uma simetria”, disse Vool. “Essas ideias são muito interessantes, mas a implementação experimental sempre foi desafiadora, pois imperfeições, por exemplo, na indutância relativa dos elementos do circuito ou no fluxo aplicado no circuito que eles formam, quebravam a simetria e degradavam seu desempenho.

“No flowermon, notamos que um circuito simples usando uma heteroestrutura de cuprato de van der Waals torcida também fornece essa proteção, que vem da simetria do próprio material e não da colocação do circuito.”

A estrutura e propriedades únicas do flowermon, o qubit introduzido por esta equipe de pesquisa, podem aumentar muito a robustez de um circuito supercondutor, pois elimina a necessidade de ajuste ou fluxo. Com base em esforços de pesquisa anteriores com foco em circuitos protegidos, Vool e seus colegas demonstraram o potencial de materiais com uma simetria inerente para a criação de sistemas supercondutores quânticos.

“Nosso trabalho mostra que o uso de materiais com simetria inerente, em oposição à simetria projetada, produz um qubit robusto que não requer ajuste fino”, explicou Vool. "O flowermon moderniza a velha ideia de usar supercondutores não convencionais para circuitos quânticos protegidos e combina-a com novas técnicas de fabricação e uma nova compreensão da coerência dos circuitos supercondutores."

O novo qubit introduzido pelos pesquisadores é essencialmente composto por uma única junção BSCCO van der Waals Josephson. Esta junção tem um ângulo de torção de cerca de 45°, desviado por um grande capacitor e um ressonador supercondutor de leitura.

“Apesar de sua simplicidade, a natureza única da onda d torcida do parâmetro de ordem permite que o flowermon codifique informações em estados próprios que preservam a paridade”, disse Valentina Brosco, coautora do artigo. "Idealmente, isso traz uma melhoria de ordem de grandeza no tempo de relaxamento em relação ao transmon bem conhecido. Além disso, o controle sobre o ângulo de torção demonstrado no experimento sugere que, ao contrário do que acontece nas junções de onda d padrão, no flowermon a dissipação induzida por quase partículas é suprimida exponencialmente."

O design simples do flowermon aproveita as características complexas e peculiares do tunelamento Josephson entre dois flocos finos de BSCCO com um ângulo de torção relativo.

Uma outra vantagem do novo qubit é sua estrutura espectral distinta, que permite a manipulação de circuitos eletrodinâmicos quânticos (cQED) e esquemas de leitura.

"Acho que o flowermon produz uma excelente ilustração das funcionalidades emergentes alcançáveis ​​através da integração de materiais complexos e heteroestruturas em dispositivos quânticos, particularmente no domínio dos circuitos supercondutores", disse Brosco. "O que achei extremamente interessante e fascinante é que a força do circuito flowermon está embutida na função de onda de muitos corpos que leva a uma relação corrente-fase com um termo de tunelamento dominante de dois pares de cobre."

Em contraste com outros qubits protegidos por paridade que são realizados através de engenharia de circuitos complexos, o flowermon depende de mecanismos físicos que ocorrem naturalmente. A robustez relatada deste projeto único poderia inspirar outros físicos a explorar o potencial das heteroestruturas de cuprato de van der Waals torcidas para a criação de circuitos supercondutores.

"A ideia por trás do flowermon pode ser estendida em várias direções:busca por diferentes supercondutores ou junções que produzam efeitos semelhantes, explorando a possibilidade de realizar novos dispositivos quânticos baseados no flowermon", disse Brosco. "Esses dispositivos combinariam os benefícios de materiais quânticos e circuitos quânticos coerentes ou usariam o flowermon ou design relacionado para investigar a física de heteroestruturas supercondutoras complexas."

Vool, Brosco e seus colaboradores planejam agora realizar estudos teóricos e experimentais adicionais. No seu trabalho teórico, pretendem abordar vários aspectos do circuito que introduziram.

Notavelmente, o circuito flowermon abre um novo caminho possível para ampliar a compreensão de supercondutores não convencionais usando circuitos quânticos. Isto é altamente relevante, pois as propriedades destes materiais continuam a ser um dos maiores mistérios da física da matéria condensada.

“Este é apenas o primeiro exemplo simples e concreto de utilização das propriedades inerentes de um material para fazer um novo dispositivo quântico, e esperamos desenvolvê-lo e encontrar exemplos adicionais, eventualmente estabelecendo um campo de pesquisa que combina física de materiais complexos com dispositivos quânticos. ", acrescentou Vool.

"Experimentalmente, ainda há muito trabalho para implementar esta proposta. Atualmente estamos fabricando e medindo circuitos supercondutores híbridos que integram esses supercondutores van der Waals e esperamos utilizar esses circuitos para entender melhor o material e, eventualmente, projetar e medir circuitos supercondutores híbridos protegidos para transformá-los em dispositivos realmente úteis."

Mais informações: Valentina Brosco et al, Superconducting Qubit Baseado em Heteroestruturas Twisted Cuprate Van der Waals, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.017003. No arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.00839
Informações do diário: Cartas de revisão física , arXiv

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