Físicos registram coerência temporal de um Qubit de grafeno

Pela primeira vez, pesquisadores de MIT e em outros lugares registraram a “coerência temporal” de uma grafeno qubit – isto é, por quanto tempo ele pode manter um estado especial que lhe permite representar dois estados lógicos simultaneamente. Segundo os pesquisadores, a demonstração, que empregou um novo tipo de qubit baseado em grafeno, é um passo importante para a prática. Computação quântica.

Bits quânticos supercondutores (qubits) são átomos artificiais que usam vários métodos para produzir bits de informação quântica, o componente fundamental dos computadores quânticos. Semelhante aos circuitos binários tradicionais em computadores, os qubits podem manter um dos dois estados correspondentes aos bits binários clássicos, 0 ou 1. Mas esses qubits também podem ser uma superposição de ambos os estados simultaneamente, o que poderia permitir que computadores quânticos resolvessem problemas complexos que são praticamente impossíveis para computadores tradicionais.

A quantidade de tempo que esses qubits permanecem neste estado de superposição é chamada de “tempo de coerência”. Quanto maior o tempo de coerência, maior será a capacidade do qubit de computar problemas complexos.

Recentemente, pesquisadores têm incorporado materiais à base de grafeno em dispositivos de computação quântica supercondutores, que prometem uma computação mais rápida e eficiente, entre outras vantagens. Até agora, no entanto, não houve coerência registrada para esses qubits avançados, então não há como saber se eles são viáveis ​​para a computação quântica prática.

Em artigo publicado em 31 de dezembro na revista Nanotecnologia da Natureza, os pesquisadores demonstram, pela primeira vez, um qubit coerente feito de grafeno e materiais exóticos. Esses materiais permitem que o qubit mude de estado por meio da tensão, assim como os transistores nos chips de computador tradicionais de hoje – e ao contrário da maioria dos outros tipos de qubits supercondutores. Além disso, os pesquisadores atribuíram um número a essa coerência, cronometrando-a em 55 nanossegundos, antes que o qubit retorne ao seu estado fundamental.

O trabalho combinou a experiência dos coautores William D. Oliver, professor de física da prática e Lincoln Laboratory Fellow cujo trabalho se concentra em sistemas de computação quântica, e Pablo Jarillo-Herrero, professor de física Cecil e Ida Green no MIT que pesquisa inovações em grafeno.

“Nossa motivação é usar as propriedades únicas do grafeno para melhorar o desempenho de qubits supercondutores”, diz o primeiro autor Joel I-Jan Wang, pós-doutorado no grupo de Oliver no Laboratório de Pesquisa de Eletrônica (RLE) do MIT. “Neste trabalho, mostramos pela primeira vez que um qubit supercondutor feito de grafeno é temporalmente quântico coerente, um requisito fundamental para a construção de circuitos quânticos mais sofisticados. O nosso é o primeiro dispositivo a mostrar um tempo de coerência mensurável – uma métrica primária de um qubit – que é longo o suficiente para ser controlado pelos humanos.”

Há outros 14 coautores, incluindo Daniel Rodan-Legrain, um estudante de pós-graduação do grupo de Jarillo-Herrero que contribuiu igualmente para o trabalho com Wang; Pesquisadores do MIT do RLE, do Departamento de Física, do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação e do Laboratório Lincoln; e pesquisadores do Laboratório de Sólidos Irradiados da École Polytechnique e do Laboratório de Materiais Avançados do Instituto Nacional de Ciência de Materiais.

Um sanduíche de grafeno imaculado

Qubits supercondutores dependem de uma estrutura conhecida como “junção Josephson”, onde um isolante (geralmente um óxido) é imprensado entre dois materiais supercondutores (geralmente alumínio). Nos projetos tradicionais de qubits ajustáveis, um loop de corrente cria um pequeno campo magnético que faz com que os elétrons saltem para frente e para trás entre os materiais supercondutores, fazendo com que o qubit mude de estado.

Mas esta corrente contínua consome muita energia e causa outros problemas. Recentemente, alguns grupos de pesquisa substituíram o isolante pelo grafeno, um átomo-camada espessa de carbono cuja produção em massa é barata e possui propriedades únicas que podem permitir uma computação mais rápida e eficiente.

Para fabricar seu qubit, os pesquisadores recorreram a uma classe de materiais, chamados materiais de van der Waals – materiais finos como átomos que podem ser empilhados como Legos uns sobre os outros, com pouca ou nenhuma resistência ou dano. Esses materiais podem ser empilhados de maneiras específicas para criar vários sistemas eletrônicos. Apesar de sua qualidade de superfície quase perfeita, apenas alguns grupos de pesquisa aplicaram materiais de van der Waals a circuitos quânticos, e nenhum deles demonstrou anteriormente exibir coerência temporal.

Para a junção Josephson, os pesquisadores colocaram uma folha de grafeno entre as duas camadas de um isolador de van der Waals chamado nitreto de boro hexagonal (hBN). É importante ressaltar que o grafeno assume a supercondutividade dos materiais supercondutores que toca. Os materiais de van der Waals selecionados podem ser feitos para conduzir elétrons usando tensão, em vez do tradicional campo magnético baseado em corrente. Portanto, o mesmo pode acontecer com o grafeno – e também com todo o qubit.

Quando a tensão é aplicada ao qubit, os elétrons saltam para frente e para trás entre dois terminais supercondutores conectados por grafeno, mudando o qubit do estado terra (0) para o estado excitado ou de superposição (1). A camada inferior de hBN serve como substrato para hospedar o grafeno. A camada superior de hBN encapsula o grafeno, protegendo-o de qualquer contaminação. Como os materiais são tão puros, os elétrons viajantes nunca interagem com os defeitos. Isso representa o “transporte balístico” ideal para qubits, onde a maioria dos elétrons se move de um condutor supercondutor para outro sem se espalhar com impurezas, fazendo uma mudança de estado rápida e precisa.

Como a tensão ajuda

O trabalho pode ajudar a resolver o “problema de escalabilidade” do qubit, diz Wang. Atualmente, apenas cerca de 1.000 qubits cabem em um único chip. Ter qubits controlados por voltagem será especialmente importante à medida que milhões de qubits começarem a ser amontoados em um único chip. “Sem controle de tensão, você também precisará de milhares ou milhões de loops de corrente, e isso ocupa muito espaço e leva à dissipação de energia”, diz ele.

Além disso, o controle de tensão significa maior eficiência e um direcionamento mais localizado e preciso de qubits individuais em um chip, sem “conversas cruzadas”. Isso acontece quando um pouco do campo magnético criado pela corrente interfere em um qubit que não está sendo direcionado, causando problemas de computação.

Por enquanto, o qubit dos pesquisadores tem uma vida útil breve. Para referência, qubits supercondutores convencionais que prometem aplicação prática documentaram tempos de coerência de algumas dezenas de microssegundos, algumas centenas de vezes maiores que o qubit dos pesquisadores.

Mas os investigadores já estão a abordar vários problemas que causam esta curta vida útil, muitos dos quais requerem modificações estruturais. Eles também estão usando seu novo método de sondagem de coerência para investigar melhor como os elétrons se movem balisticamente em torno dos qubits, com o objetivo de estender a coerência dos qubits em geral.

Referência: “Controle coerente de um circuito supercondutor híbrido feito com heteroestruturas de van der Waals baseadas em grafeno” por Joel I-Jan Wang, Daniel Rodan-Legrain, Landry Bretheau, Daniel L. Campbell, Bharath Kannan, David Kim, Morten Kjaergaard, Philip Krantz, Gabriel O. Samach, Fei Yan, Jonilyn L. Yoder, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Terry P. Orlando, Simon Gustavsson, Pablo Jarillo-Herrero e William D. Oliver, 31 de dezembro de 2018, Nanotecnologia da Natureza.
DOI: 10.1038/s41565-018-0329-2