Um laser disparado contra uma folha de dióxido de titânio altera a configuração do cristal onde atinge – uma técnica, desenvolvida pela startup quântica memQ, que permite aos cientistas projetar um dispositivo multi-qubit mais eficaz. Crédito:memQ Qubits são a base da tecnologia quântica, e encontrar ou construir qubits que sejam estáveis e facilmente manipuláveis é um dos objetivos centrais da pesquisa em tecnologia quântica. Os cientistas descobriram que um átomo de érbio – um metal de terras raras às vezes usado em lasers ou para colorir vidro – pode ser um qubit muito eficaz.
Para fazer qubits de érbio, os átomos de érbio são colocados em “materiais hospedeiros”, onde os átomos de érbio substituem alguns dos átomos originais do material. Dois grupos de pesquisa - um na startup quântica memQ, parceira corporativa da Chicago Quantum Exchange, e um no Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA, membro do CQE - usaram diferentes materiais hospedeiros para o érbio para avançar a tecnologia quântica, demonstrando a versatilidade deste tipo de qubit e destacando a importância da ciência dos materiais para a computação quântica e a comunicação quântica.
Os dois projetos abordam desafios que os pesquisadores da computação quântica têm tentado resolver:projetar dispositivos multi-qubit e estender o tempo que os qubits podem reter informações.
“O trabalho que estes dois esforços realizaram realmente destaca o quanto os materiais são importantes para a tecnologia quântica”, disse F. Joseph Heremans, cientista da equipe de Argonne que esteve envolvido em ambos os projetos. “O ambiente em que o qubit reside é tão crítico quanto o próprio qubit.”
A inicialização do memQ ativa seletivamente qubits de érbio, facilitando o controle de dispositivos multi-qubit
O érbio é popular como qubit porque pode transmitir informações quânticas com eficiência pelo mesmo tipo de fibra óptica que canaliza a Internet e as linhas telefônicas; seus elétrons também estão organizados de tal forma que são particularmente resistentes ao tipo de mudanças ambientais que podem fazer com que um qubit perca suas informações.
Mas o processo de crescimento que insere o érbio no material hospedeiro espalha os átomos por todo o material de uma forma que os cientistas não conseguem controlar com precisão, o que torna difícil projetar dispositivos multi-qubit. Em uma técnica completamente nova, os cientistas do memQ descobriram uma solução alternativa:“ativar” apenas certos átomos de érbio com um laser.
O trabalho está publicado na revista Applied Physics Letters .
"Na verdade, não estamos colocando o érbio em locais específicos, o érbio está espalhado por todo o material", disse Sean Sullivan, CTO e cofundador da memQ, que se formou na Duality, o acelerador quântico de startups co-liderado pelo Centro Polsky para Empreendedorismo e Inovação da Universidade de Chicago e o CQE, juntamente com os parceiros fundadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, Argonne e P33.
"Mas, ao usar um laser, podemos alterar a estrutura cristalina em uma área específica, e isso altera as propriedades do érbio nessa área. Portanto, estamos selecionando qual érbio usar como qubits."
A técnica depende das propriedades do material hospedeiro, o dióxido de titânio (TiO2 ). Devido à sua simetria, uma rede cristalina de TiO2 tem duas configurações possíveis. Um átomo de érbio inserido na rede se comunicará em uma frequência diferente dependendo da configuração do TiO2 ele fica dentro.
Na técnica do memQ, o érbio está espalhado por um filme de TiO2 isso está em uma configuração. Então, um laser de alta potência é focado no cristal em torno de certos átomos de érbio, distorcendo permanentemente o TiO2 em sua outra configuração apenas nesses locais. Agora, os átomos de érbio selecionados pelo laser podem se comunicar todos na mesma frequência, totalmente separados dos demais.
O novo procedimento representa um avanço significativo nesta área da tecnologia quântica, conhecida como tecnologia de estado sólido.
“Você não pode usar qubits em 100 locais aleatórios para construir algo útil”, disse Manish Singh, CEO e cofundador da memQ. "Com nossa plataforma, podemos escolher qual érbio queremos usar no layout que queremos usar, uma capacidade que escapou da comunidade de estado sólido por muito tempo."
Cientista de Argonne alcança longos tempos de coerência de qubit de érbio
Uma medida crucial da eficácia de um qubit é o seu tempo de coerência:a quantidade de tempo que ele pode reter informações quânticas. Isto é especialmente importante para qubits destinados ao uso como memória quântica, o equivalente quântico da memória clássica de computador. Mas a coerência é muito frágil – um qubit pode perder coerência ao interagir com algo em seu ambiente, como ar ou calor.
Os átomos de érbio podem reter informações quânticas usando seus elétrons, que possuem uma propriedade chamada “spin”. Um núcleo, o aglomerado de prótons e nêutrons no centro de um átomo, também tem “spin”, e os spins dos elétrons e dos núcleos podem influenciar uns aos outros. Uma maneira comum de um qubit de érbio perder sua informação quântica é se o spin do seu elétron interagir com o spin nuclear de um dos átomos ao seu redor.
Por esta razão, o pesquisador da Argonne, Jiefei Zhang, procurou um material hospedeiro para o érbio que tivesse o spin nuclear mais baixo possível, mas que também pudesse ser fabricado de forma viável com tecnologias de silício mais tradicionais. Ela o encontrou com um óxido diferente, desta vez de um elemento de terras raras:dióxido de cério, também conhecido como céria (CeO2 ).
O cério é o elemento de terras raras mais abundante e é usado como agente oxidante e catalisador na química industrial. Ao contrário do TiO2 , que possui múltiplas configurações estruturais possíveis, CeO2 tem apenas um e é extremamente simétrico. Por causa disso, qubits de érbio em CeO2 são mais estáveis.
“Dois qubits de érbio diferentes em céria verão o mesmo ambiente cristalino”, disse Zhang. “E por isso é muito fácil controlá-los simultaneamente porque eles agirão de maneira muito semelhante”.
Notavelmente, a nova técnica de localização desenvolvida pelo memQ não é possível com uma estrutura cristalina altamente simétrica como CeO2 – mas Zhang foi capaz de ver tempos de coerência mais longos nos qubits de érbio, com potencial ainda mais à medida que continuam a desenvolver o experimento. O trabalho pode ser encontrado no servidor de pré-impressão arXiv .
“Definitivamente existem prós e contras para cada material, e isso é muito comum no quantum”, disse Zhang.
Mais informações: Sean E. Sullivan et al, Localização quase determinística de emissores Er em filme fino TiO2 através do controle de fase cristalina em escala submicrométrica, Applied Physics Letters (2023). DOI:10.1063/5.0176610 Jiefei Zhang et al, Coerência óptica e de spin de Er
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em CeO epitaxial2 em silício, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2309.16785
Informações do diário: arXiv , Cartas de Física Aplicada
