Nova plataforma revolucionária Qubit pode transformar a computação quântica

O dispositivo digital que você está usando para visualizar este artigo sem dúvida usa o bit, que pode ser 0 ou 1, como unidade básica de informação. No entanto, cientistas de todo o mundo estão a correr para desenvolver um novo tipo de computador baseado na utilização de bits quânticos, ou qubits, que podem ser simultaneamente 0 e 1 e poderão um dia resolver problemas complexos que ultrapassam qualquer supercomputador clássico.

Uma equipe de pesquisa liderada por cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), em estreita colaboração com o professor associado de engenharia mecânica da FAMU-FSU, Wei Guo, anunciou a criação de uma nova plataforma qubit que se mostra muito promissora. a ser desenvolvido em futuros computadores quânticos. Seu trabalho é publicado na revista Natureza.

“Os computadores quânticos podem ser uma ferramenta revolucionária para realizar cálculos que são praticamente impossíveis para os computadores clássicos, mas ainda há trabalho a fazer para torná-los realidade”, disse Guo, coautor do artigo. “Com esta pesquisa, acreditamos que temos um avanço que vai muito longe na criação de qubits que ajudam a concretizar o potencial desta tecnologia.”

A equipe de cientistas criou seu qubit congelando o gás néon em um sólido a temperaturas muito baixas, pulverizando elétrons de uma lâmpada sobre o sólido e prendendo um único elétron ali.

Professor Associado de Engenharia Mecânica da FAMU-FSU Faculdade de Engenharia Wei Guo. Crédito: Universidade Estadual da Flórida

Embora existam muitas opções de tipos de qubits, a equipe escolheu o mais simples – um único elétron. Aquecer um simples filamento de luz, como o que você encontra em um brinquedo de criança, pode facilmente disparar um suprimento ilimitado de elétrons.

Uma qualidade importante dos qubits é a sua capacidade de permanecer num estado simultâneo 0 ou 1 durante um longo período de tempo, conhecido como “tempo de coerência”. Esse tempo é limitado e o limite é determinado pela forma como os qubits interagem com seu ambiente. Defeitos no sistema qubit podem reduzir significativamente o tempo de coerência.

Por essa razão, a equipe optou por capturar um elétron em uma superfície de néon sólido ultrapuro no vácuo. O néon é um dos seis elementos inertes, o que significa que não reage com outros elementos.

“Devido a esta inércia, o néon sólido pode servir como o sólido mais limpo possível no vácuo para hospedar e proteger quaisquer qubits de serem interrompidos”, disse Dafei Jin, cientista de Argonne e investigador principal do projeto.

Ao usar um ressonador supercondutor em escala de chip – como um forno de micro-ondas em miniatura – a equipe foi capaz de manipular os elétrons presos, permitindo-lhes ler e armazenar informações do qubit, tornando-o útil para uso em futuros computadores quânticos.

Pesquisas anteriores usaram hélio líquido como meio para reter elétrons. Esse material era fácil de tornar livre de defeitos, mas as vibrações da superfície livre de líquido poderiam facilmente perturbar o estado do elétron e, portanto, comprometer o desempenho do qubit.

O néon sólido oferece um material com poucos defeitos que não vibra como o hélio líquido. Depois de construir sua plataforma, a equipe realizou operações qubit em tempo real usando fótons de micro-ondas em um elétron aprisionado e caracterizou suas propriedades quânticas. Esses testes demonstraram que o néon sólido proporcionou um ambiente robusto para o elétron, com ruído elétrico muito baixo para perturbá-lo. Mais importante ainda, o qubit atingiu tempos de coerência no estado quântico competitivos com outros qubits de última geração.

A simplicidade da plataforma qubit também deve permitir uma fabricação simples e de baixo custo, disse Jin.

A promessa de Computação quântica reside na capacidade desta tecnologia de próxima geração de calcular certos problemas muito mais rapidamente do que os computadores clássicos. Os pesquisadores pretendem combinar longos tempos de coerência com a capacidade de vários qubits se conectarem – conhecido como emaranhamento. Os computadores quânticos poderiam, assim, encontrar as respostas para problemas que um computador clássico levaria muitos anos para resolver.

Considere um problema em que os pesquisadores desejam encontrar a configuração de energia mais baixa de uma proteína feita de muitos aminoácidos. Esses aminoácidos podem se dobrar em trilhões de maneiras que nenhum computador clássico tem memória para lidar. Com a computação quântica, é possível usar qubits emaranhados para criar uma superposição de todas as configurações dobráveis ​​– proporcionando a capacidade de verificar todas as respostas possíveis ao mesmo tempo e resolver o problema com mais eficiência.

“Os pesquisadores precisariam apenas fazer um cálculo, em vez de tentar trilhões de configurações possíveis”, disse Guo.

Para obter mais informações sobre esta pesquisa, consulte Nova descoberta do Qubit que pode revolucionar a computação quântica.

Referência: “Elétrons únicos em neon sólido como uma plataforma qubit de estado sólido” por Xianjing Zhou, Gerwin Koolstra, Xufeng Zhang, Ge Yang, Xu Han, Brennan Dizdar, Xinhao Li, Ralu Divan, Wei Guo, Kater W. Murch, David I. Schuster e Dafei Jin, 4 de maio de 2022, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-022-04539-x

A equipe publicou suas descobertas em um Natureza artigo intitulado “Elétrons únicos em néon sólido como uma plataforma qubit de estado sólido”. Além de Jin, os contribuidores de Argonne incluem o primeiro autor Xianjing Zhou, Xufeng Zhang, Xu Han, Xinhao Li e Ralu Divan. Colaboradores do Universidade de Chicago foram David Schuster e Brennan Dizdar. Outros coautores foram Kater Murch, da Universidade de Washington em St. Louis, Gerwin Koolstra, do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, e Ge Yang, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts.

O financiamento para a pesquisa de Argonne veio principalmente do Escritório de Ciências Básicas de Energia do DOE, do programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido pelo Laboratório de Argonne e da Fundação Julian Schwinger para Pesquisa Física. Guo é apoiado pela National Science Foundation e pelo Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético.