Nova plataforma qubit: Elétrons de um filamento de luz quente (topo) pousam em neon sólido (bloco vermelho), onde um único elétron (representado como uma função de onda em azul) é capturado e processado por um circuito quântico supercondutor (wafer padronizado abaixo). Fonte da imagem: Dafei Jin / Laboratório Nacional de Argonne
Uma nova plataforma qubit pode transformar a ciência e a tecnologia da informação quântica.
Sem dúvida, você está vendo este artigo em um dispositivo digital cuja unidade básica de informação é o bit, seja 0 ou 1. Cientistas de todo o mundo estão correndo para desenvolver um novo tipo de computador baseado no uso de bits quânticos, ou qubits.
Em um artigo de pesquisa publicado na revista em 4 de maio de 2022 temperar a natureza, uma equipe liderada pelo Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) anunciou a criação de uma nova plataforma qubit que consiste em congelar gás neon em um sólido a temperaturas extremamente baixas, pulverizando elétrons de um filamento de lâmpada sobre o sólido, e prendendo um único elétron lá. Este sistema tem o potencial de ser desenvolvido em blocos de construção ideais para computadores quânticos do futuro.
“Parece que um qubit perfeito pode estar no horizonte. Graças à relativa simplicidade da plataforma de elétrons em neon, deve ser fácil de fabricar a baixo custo.” Dafei Jin, cientista de argônio do Centro de Nanomateriais
Para um computador quântico útil, os requisitos de qualidade para qubits são muito exigentes. Embora existam diferentes formas de qubits hoje, nenhuma delas é ideal.
O que faz um qubit perfeito? Tem pelo menos três qualidades excelentes, de acordo com Duffy Jane, cientista de Argonne e investigadora principal do projeto.
Ele pode permanecer no estado sincronizado 0 e 1 (lembre-se do gato!) por muito tempo. Os cientistas chamam isso de coerência longa. Idealmente, esse tempo seria de cerca de um segundo, que é um passo de tempo que podemos perceber no relógio em casa em nossas vidas diárias.
Em segundo lugar, os qubits podem ser alterados de um estado para outro em pouco tempo. Idealmente, esse tempo seria cerca de um bilionésimo de segundo (nanossegundo), que é um passo de tempo de um relógio de computador clássico.
Terceiro, os qubits podem ser facilmente vinculados a muitos outros qubits para que possam operar em paralelo uns com os outros. Os cientistas se referem a essa associação como emaranhamento.
Embora os qubits conhecidos não sejam perfeitos no momento, empresas como IBM, Intel, Google, Honeywell e muitas outras startups escolheram seus favoritos. Eles perseguem agressivamente a melhoria tecnológica e a comercialização.
“Nosso objetivo ambicioso não é competir com essas empresas, mas descobrir e construir um sistema qubit fundamentalmente novo que possa levar à plataforma perfeita”, disse Jin.
Embora existam muitas opções para tipos de qubit, a equipe escolheu a mais simples – um único elétron. Aquecer um simples filamento de luz que você pode encontrar no brinquedo de uma criança pode liberar facilmente um suprimento ilimitado de elétrons.
Um dos desafios para qualquer qubit, incluindo o elétron, é que ele é muito sensível à perturbação de seus arredores. Assim, a equipe optou por prender um elétron na superfície de um néon sólido de alta pureza no vácuo.
O néon é um elemento inerte que não interage com outros elementos. “Por causa dessa inércia, o neon sólido pode ser o material sólido mais limpo possível em um vácuo para hospedar e proteger qualquer qubit contra interrupções”, disse Jin.
Um componente-chave da plataforma qubit da equipe é um ressonador de micro-ondas em escala de chip feito de um supercondutor. (Um forno de micro-ondas doméstico maior também é um ressonador de micro-ondas.) Supercondutores – metais sem resistência elétrica – permitem que elétrons e fótons interajam próximos[{” attribute=””>absolute zero with minimal loss of energy or information.
“The microwave resonator crucially provides a way to read out the state of the qubit,” said Kater Murch, physics professor at the Washington University in St. Louis and a senior co-author of the paper. “It concentrates the interaction between the qubit and microwave signal. This allows us to make measurements telling how well the qubit works.”
“With this platform, we achieved, for the first time ever, strong coupling between a single electron in a near-vacuum environment and a single microwave photon in the resonator,” said Xianjing Zhou, a postdoctoral appointee at Argonne and the first author of the paper. “This opens up the possibility to use microwave photons to control each electron qubit and link many of them in a quantum processor,” Zhou added.
“Our qubits are actually as good as ones that people have been developing for 20 years.” — David Schuster, physics professor at the University of Chicago and a senior co-author of the paper
The team tested the platform in a scientific instrument called a dilution refrigerator, which can reach temperatures as low as a mere 10 millidegrees above absolute zero. This instrument is one of many quantum capabilities in Argonne’s Center for Nanoscale Materials, a DOE Office of Science user facility.
The team performed real-time operations to an electron qubit and characterized its quantum properties. These tests demonstrated that the solid neon provides a robust environment for the electron with very low electric noise to disturb it. Most importantly, the qubit attained coherence times in the quantum state competitive with state-of-the-art qubits.
“Our qubits are actually as good as ones that people have been developing for 20 years,” said David Schuster, physics professor at the University of Chicago and a senior co-author of the paper. “This is only our first series of experiments. Our qubit platform is nowhere near optimized. We will continue improving the coherence times. And because the operation speed of this qubit platform is extremely fast, only several nanoseconds, the promise to scale it up to many entangled qubits is significant.”
There is yet one more advantage to this remarkable qubit platform.“Thanks to the relative simplicity of the electron-on-neon platform, it should lend itself to easy manufacture at low cost,” Jin said. “It would appear an ideal qubit may be on the horizon.”
Reference: “Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform” by Xianjing Zhou, Gerwin Koolstra, Xufeng Zhang, Ge Yang, Xu Han, Brennan Dizdar, Xinhao Li, Ralu Divan, Wei Guo, Kater W. Murch, David I. Schuster and Dafei Jin, 4 May 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04539-x
The team published their findings in a Nature article titled “Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform.” In addition to Jin and Zhou, Argonne contributors include Xufeng Zhang, Xu Han, Xinhao Li and Ralu Divan. In addition to David Schuster, the University of Chicago contributors also include Brennan Dizdar. In addition to Kater Murch of Washington University in St. Louis, other researchers include Wei Guo of Florida State University, Gerwin Koolstra of Lawrence Berkeley National Laboratory and Ge Yang of Massachusetts Institute of Technology.
Funding for the Argonne research primarily came from the DOE Office of Basic Energy Sciences, Argonne’s Laboratory Directed Research and Development program and the Julian Schwinger Foundation for Physics Research.
