Uma equipe internacional de cientistas da Rússia, Reino Unido e Alemanha demonstrou um projeto de qubit alternativo que pode ser usado para construir um computador quântico. O principal elemento desse projeto são os nanofios de supercondutores. Já nos primeiros experimentos, um novo qubit supercondutor provou não ser pior do que os qubits tradicionais construídos nas junções Josephson.
Esquema e desenho de um novo qubit Colaborações de cientistas do Russian Quantum Center e NUST MISiS (Rússia), Universidade de Londres e Laboratório Nacional de Física em Teddington (Grã-Bretanha), Universidade de Karlsruhe e Instituto de Photon Technologies (Alemanha), bem como do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou e Skoltech (Rússia) conseguiram criar um qubit fundamentalmente novo baseado não na junção Josephson, que é uma descontinuidade em um supercondutor, mas em um nano-fio contínuo supercondutor. Pesquisadores
publicados na Nature Physics.
Os cientistas prevêem grandes realizações para um computador quântico. O princípio dos cálculos estabelecidos em sua fundação ainda hoje permite resolver problemas extremamente complexos. Embora um computador quântico universal ainda não tenha sido criado, os pesquisadores já podem simular compostos e materiais químicos com qubits. Portanto, muitos grupos científicos estão trabalhando para melhorar os elementos de um computador quântico. Um trabalho particularmente difícil está em andamento para estudar e melhorar a principal célula de computação de um qubit de computador quântico.
Existem várias abordagens para criar qubits. Por exemplo, qubits operando na faixa óptica foram criados. No entanto, eles são difíceis de dimensionar, diferentemente dos qubits de supercondutores que operam na faixa de rádio e baseados nos chamados junções Josephson. Cada uma dessas transições é uma ruptura de um supercondutor, ou melhor, uma camada dielétrica através da qual os elétrons entram em túnel.
O novo qubit baseia-se no efeito do deslizamento da fase quântica - destruição periódica controlada e restauração da supercondutividade em um nano-fio ultrafino (com cerca de 4 nm de espessura), que no estado comum possui uma resistência bastante alta. Pela primeira vez, esse efeito, previsto em teoria, foi observado experimentalmente pelo chefe deste trabalho, Oleg Astafyev, agora ele é o chefe do Laboratório de Sistemas Quânticos Artificiais no Instituto de Física e Tecnologia de Moscou e professor da Universidade de Londres e do Laboratório Físico Nacional em Teddington, no Reino Unido. Seu trabalho pioneiro foi publicado na revista Nature em 2012.
Professor Alexey UstinovDe acordo com um dos autores do novo trabalho, Alexey Ustinov, que lidera um grupo RCC na Rússia e dirige o Laboratório de Metamateriais Supercondutores do NITU MISiS, e é professor do Instituto de Tecnologia Karlsruhe na Alemanha, conseguiu criar um novo tipo de dispositivos supercondutores, muito semelhante ao SQUID (SQUID, Dispositivo de interferência quântica supercondutora - “interferômetro quântico supercondutor”, um magnetômetro super sensível baseado nas junções de Josephson). Somente em vez de um campo magnético, a interferência em um novo dispositivo é causada por um campo elétrico que altera a carga elétrica em uma ilha entre dois nano-fios. Esses fios desempenham o papel de junções Josephson no dispositivo, embora não exijam a criação de descontinuidades e podem ser feitos de uma camada de um supercondutor. Conforme observado por Alexey Ustinov, neste trabalho pudemos mostrar que esse sistema pode funcionar como um interferômetro de carga. “Se você dividir o fio em duas seções, fazer um espessamento no centro e depois alterar a carga no espessamento pelo obturador, você pode, de fato, modular periodicamente o processo de tunelamento quântico de quanta magnética através do fio, o que é observado neste trabalho.” Este é um ponto chave para provar que o efeito é controlável e coerente e que pode ser usado para criar qubits de nova geração.
As tecnologias SQUID já encontraram sua aplicação em vários dispositivos médicos de varredura, como magnetocardiógrafos e magnetoencefalógrafos, em dispositivos que capturam ressonância magnética nuclear, bem como em métodos geofísicos e paleogeológicos de exploração de rochas. Portanto, é possível que os SQUIDs de dupla carga possam causar sérias mudanças, não apenas no mundo dos computadores quânticos.
Segundo o professor Ustinov, os cientistas ainda enfrentam muitas tarefas fundamentais relacionadas ao estudo do trabalho de um novo qubit. No entanto, agora está claro que estamos falando de qubits que não têm menos (e talvez mais) funcionalidade, mas são muito mais simples de fabricar. “Agora, a principal intriga é se é possível construir sobre esse princípio todo o conjunto de elementos da eletrônica supercondutora. - observou o professor Ustinov. - O dispositivo que recebemos, em princípio, é um eletrômetro e mede a carga induzida na ilha de um supercondutor com um erro milhares de vezes menor que a carga de um elétron. Podemos controlá-lo com a maior precisão, pois essa carga não é quantizada, mas induzida. ”
“Agora estamos estudando qubits sobre o princípio de deslizamento de fase no meu grupo em Karlsruhe, e os tempos de coerência que enfrentamos são surpreendentemente altos. - diz o professor Ustinov. - Até agora, eles não são muito maiores do que em qubits comuns, mas nós apenas começamos a trabalhar e há uma chance de que eles sejam grandes. Por exemplo, ainda há um tópico importante de defeitos em qubits - recentemente recebemos uma concessão do Google - esses defeitos surgem no dielétrico, na barreira do túnel da junção Josephson. Os defeitos são excitados devido ao fato de que nesta zona existem grandes campos elétricos, praticamente toda a tensão cai em uma escala de 2 nm. Se imaginarmos que a mesma queda ocorre em um fio homogêneo, e não se sabe onde, em um "borrão" uniforme em todo o supercondutor, os campos que surgirão aqui são muito menores. Isso significa que os defeitos que estão no material do qubit, provavelmente, não aparecerão aqui. E isso significa que podemos obter qubits com um tempo de coerência mais alto, o que ajudará a lidar com um dos principais problemas dos qubits - não muito tempo de sua "vida" quântica.