Novas descobertas desmascaram a sabedoria anterior de que os qubits de estado sólido precisam ser superdiluídos em um material ultralimpo para alcançar vidas longas. Em vez disso, coloque muitos íons de terras raras em um cristal, e alguns formarão pares que agem como qubits altamente coerentes, mostra artigo na Nature Physics .



Linhas limpas e minimalismo ou vintage chique? Acontece que as mesmas tendências que ocupam o mundo do design de interiores são essenciais quando se trata de projetar os blocos de construção dos computadores quânticos.

Como fazer qubits que retenham suas informações quânticas por tempo suficiente para serem úteis é uma das principais barreiras para a computação quântica prática. É amplamente aceito que a chave para qubits com vidas longas, ou “coerências”, é a limpeza. Qubits perdem informações quânticas por meio de um processo conhecido como decoerência quando começam a interagir com seu ambiente.

Então, diz a sabedoria convencional, mantenha-os afastados uns dos outros e de outras influências perturbadoras, e esperamos que sobrevivam um pouco mais.

Na prática, uma abordagem tão “minimalista” ao design de qubits é problemática. Encontrar materiais ultrapuros adequados não é fácil. Além disso, diluir os qubits ao extremo torna um desafio a expansão de qualquer tecnologia resultante. Agora, resultados surpreendentes de pesquisadores do Instituto Paul Scherrer PSI, ETH Zurich e EPFL mostram como qubits com vida longa podem existir em um ambiente desordenado.

“No longo prazo, como colocá-lo em um chip é uma questão universalmente discutida para todos os tipos de qubits. Em vez de diluir cada vez mais, demonstramos um novo caminho pelo qual podemos aproximar os qubits”, afirma Gabriel Aeppli, chefe da Divisão de Ciência de Fótons da PSI e professor da ETH Zürich e da EPFL, que liderou o estudo.

Escolhendo as joias do lixo

Os pesquisadores criaram qubits de estado sólido a partir do metal de terras raras térbio, dopado em cristais de fluoreto de ítrio e lítio. Eles mostraram que dentro de um cristal repleto de íons de terras raras havia gemas de qubits com coerências muito mais longas do que normalmente seria esperado em um sistema tão denso.

“Para uma determinada densidade de qubits, mostramos que é uma estratégia muito mais eficaz incluir os íons de terras raras e retirar as gemas do lixo, em vez de tentar separar os íons individuais uns dos outros por diluição”, explica Markus Müller. , cujas explicações teóricas foram essenciais para a compreensão de observações enganosas.

Assim como os bits clássicos que utilizam 0 ou 1 para armazenar e processar informações, os qubits também utilizam sistemas que podem existir em dois estados, embora com possibilidade de superposições. Quando qubits são criados a partir de íons de terras raras, normalmente, uma propriedade dos íons individuais – como o spin nuclear, que pode apontar para cima ou para baixo – é usada como este sistema de dois estados.

O emparelhamento oferece proteção

A equipe poderia ter sucesso com uma abordagem radicalmente diferente porque, em vez de serem formados por íons únicos, seus qubits são formados por pares de íons que interagem fortemente. Em vez de usar o spin nuclear de íons únicos, os pares formam qubits baseados em superposições de diferentes estados da camada eletrônica.

Dentro da matriz cristalina, apenas alguns dos íons térbio formam pares. “Se você jogar muito térbio no cristal, por acaso, existem pares de íons – nossos qubits. Eles são relativamente raros, então os próprios qubits são bastante diluídos”, explica Adrian Beckert, principal autor do estudo.

Então, por que esses qubits não são perturbados por seu ambiente confuso? Acontece que essas gemas, por suas propriedades físicas, estão protegidas do lixo. Como eles operam com uma energia característica diferente, eles não podem trocar energia com os íons térbio individuais – em essência, eles são cegos para eles.

“Se você fizer uma excitação em um único térbio, ele pode facilmente saltar para outro térbio, causando decoerência”, diz Müller. "No entanto, se a excitação estiver em um par de térbio, seu estado está emaranhado, então ele vive em uma energia diferente e não pode pular para os térbios individuais. Eu teria que encontrar outro par, mas não pode porque o próximo um está muito longe."

Iluminando os qubits

Os pesquisadores se depararam com o fenômeno dos pares de qubits ao sondar fluoreto de ítrio-lítio dopado com térbio com espectroscopia de micro-ondas. A equipe também usa luz para manipular e medir efeitos quânticos em materiais, e espera-se que o mesmo tipo de qubits opere nas frequências mais altas da luz laser óptica. Isto é interessante porque os metais de terras raras possuem transições ópticas, que facilitam a entrada da luz.

“Eventualmente, nosso objetivo é também usar a luz do laser de elétrons livres de raios X SwissFEL ou da fonte de luz suíça SLS para testemunhar o processamento de informações quânticas”, diz Aeppli. Esta abordagem poderia ser usada para ler conjuntos inteiros de qubits com luz de raios X.

Entretanto, o térbio é uma escolha atractiva de dopante:pode ser facilmente excitado por frequências na gama de microondas utilizadas para telecomunicações. Foi durante os testes de spin echo – uma técnica bem estabelecida para medir tempos de coerência – que a equipe notou picos engraçados correspondendo a coerências muito mais longas do que aquelas nos íons individuais.

“Havia algo inesperado à espreita”, lembra Beckert. Com mais experimentos de espectroscopia de micro-ondas e análises teóricas cuidadosas, eles poderiam desmarcá-los como estados de pares.

'Com o material certo, a coerência pode ser ainda maior'

À medida que os investigadores se aprofundavam na natureza destes qubits, podiam compreender as diferentes formas como eram protegidos do seu ambiente e procurar otimizá-los. Embora as excitações dos pares de térbio possam estar bem protegidas da influência de outros íons de térbio, os spins nucleares em outros átomos do material ainda podem interagir com os qubits e fazer com que eles se descoeram.

Para proteger ainda mais os qubits de seu ambiente, os pesquisadores aplicaram um campo magnético ao material que foi ajustado para cancelar exatamente o efeito do spin nuclear do térbio em pares. Isso resultou em estados qubit essencialmente não magnéticos, que eram apenas minimamente sensíveis ao ruído dos spins nucleares dos átomos “lixo” circundantes.

Uma vez incluído este nível de proteção, os pares de qubits tiveram vidas até cem vezes mais longas do que íons únicos no mesmo material.

“Se tivéssemos procurado qubits baseados em pares de térbio, não teríamos pegado um material com tantos spins nucleares”, diz Aeppli. "O que isto mostra é o quão poderosa esta abordagem pode ser. Com o material certo, a coerência pode ser ainda maior." Munidos do conhecimento deste fenômeno, otimizar a matriz é o que os pesquisadores farão agora.

Mais informações: Emergência de sistemas de dois níveis altamente coerentes em uma rede quântica densa e ruidosa, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02321-y
Informações do diário: Física da Natureza

Fornecido pelo Instituto Paul Scherrer