Os resultados de um estudo de um novo qubit supercondutor, publicado na revista Nature Communications, mostram
qubits supercondutores
Os modelos computacionais tradicionais dependemsoluções físicas correspondentes às leis da mecânica clássica. É assim que a maioria dos processadores modernos funcionam, por exemplo. A computação quântica usa fenômenos que ocorrem na escala de átomos e partículas subatômicas para comunicar e processar informações.
Existem vários modelos de computação quântica,no entanto, os mais populares envolvem o uso de qubits e portas quânticas. Lembre-se de que um qubit é um sistema com dois estados possíveis, que podem estar em um deles ou em uma superposição de ambos. Uma porta quântica é um elemento básico de um circuito digital que executa uma operação lógica elementar. Descreve como o estado dos qubits mudará, levando em consideração os valores iniciais, após a aplicação de uma determinada lei a eles.
Como os efeitos quânticos aparecem apenas emEm escalas ultrapequenas, criar qubits e portões é uma tarefa extremamente difícil. Das muitas abordagens para a construção de computadores quânticos úteis, os qubits supercondutores ganharam a maior popularidade. Para criá-los, os engenheiros usam temperaturas próximas ao zero absoluto, nas quais os efeitos quânticos começam a aparecer no nível macro. Por exemplo, é essa tecnologia que é usada pelos processadores quânticos IBM recentemente introduzidos, contendo um recorde de 433 qubits.
casal cooper e transmon
Em um supercondutor, os portadores de carga majoritáriossão pares de Cooper. Este é um estado ligado de dois elétrons interagindo através de um fônon. Ele tem spin zero e uma carga igual ao dobro da carga de um elétron. São essas partículas, agindo como um todo, que são usadas para a computação quântica.
O qubit de carga mais simples, ou blocoPares de Cooper é um elemento cujo estado determina a presença ou ausência de pares de Cooper em excesso na ilha. Tal componente é formado por uma pequena ilha supercondutora conectada por uma junção Josephson a um reservatório supercondutor. Nesta junção, a corrente crítica é suprimida e uma corrente de túnel flui através de uma fina camada isolante ou não supercondutora entre os dois supercondutores.
O estado do qubit depende do númeroPares de Cooper que passaram pela conexão. O efeito de tunelamento é usado para projetar osciladores anarmônicos quânticos que atuam como qubits.
Diagrama esquemático de um circuito qubit de carga. A ilha é formada por um eletrodo supercondutor entre o capacitor de porta e a capacitância de junção. Imagem: ETH
Qubits de carga são feitos usandotecnologias semelhantes às usadas na microeletrônica. Os dispositivos são normalmente construídos em wafers de silício ou safira usando litografia por feixe de elétrons e evaporação de filme de metal fino.
Neste caso, as junções de Josephson são formadas comusando a evaporação da sombra. Este é um processo no qual o metal original evapora alternadamente em dois ângulos através de uma máscara definida litograficamente em uma resistência de feixe de elétrons. Isso resulta na formação de duas camadas sobrepostas de metal supercondutor, entre as quais é depositada uma fina camada de isolante.
Embora tais qubits sejam bastante fáceis de fazer comUsando tecnologia madura usada em computadores clássicos, suas desvantagens incluem a rápida decoerência (quebra do emaranhamento) sob a influência de ruído externo. Para que os computadores quânticos realizem cálculos úteis, as informações que eles contêm devem ser quase 100% precisas. O ruído de carregamento causado pela imperfeição do ambiente material em que os qubits estão localizados afeta negativamente a precisão das informações.
Um dispositivo IBM que consiste em quatro transmons. Imagem: Jay M. Gambetta et al., Quantum Information
Para aumentar a "vida" de tais qubits, emEm 2007, pesquisadores da Universidade de Yale finalizaram o sistema e criaram o transmon. Este é um bloco de pares de Cooper, no qual as junções Josephson são adicionalmente desviadas com um grande capacitor capacitivo. A diminuição da sensibilidade ao ruído capacitivo resultou em um aumento no tempo de coerência de 1 a 2 ns para um bloco de pares de Cooper para quase 100 ns para um transmon.
Unimon é um novo qubit supercondutor
Ilustração artística de um unimon em um processador quântico. Imagem: Aleksandr Kakinen, Universidade de Aalto
Apesar do progresso significativo no desenvolvimentoA computação quântica, os projetos e métodos de qubit atualmente em uso não fornecem desempenho alto o suficiente para uso prático generalizado. A complexidade dos cálculos implementados é limitada principalmente por erros em elementos quânticos com um e dois qubits.
Para resolver esse problema, os pesquisadoresdesenvolveu um novo tipo de qubit supercondutor. Eles combinam maior anarmonicidade (desvio da energia do sistema de "flutuações" harmônicas), insensibilidade completa ao ruído DC, sensibilidade reduzida ao ruído magnético e uma estrutura simples.
O dispositivo consiste em um Josephsonuma junção desviada por um indutor linear e um capacitor operando em um modo no qual a energia indutiva é principalmente compensada pela energia de Josephson. Essa propriedade resulta em um alto nível de anarmonicidade com imunidade total ao ruído de carga de baixa frequência e proteção parcial contra ruído de fluxo, observam os pesquisadores.
Para a demonstração experimental do unimon, os cientistaschips projetados e fabricados, cada um consistindo de três qubits unimon. Eles usaram nióbio como material supercondutor, com exceção dos contatos Josephson, nos quais os condutores supercondutores eram feitos de alumínio.
Esquerda:Imagem microscópica em cores falsas de um chip de silício contendo três unimons (azul) junto com suas cavidades de leitura (vermelho), linhas de transmissão (verde) e linha de conexão da sonda (amarelo). Direita: Uma configuração experimental simplificada usada para medir unimons. Imagem: Eric Hyyppä et al., Nature Communications
Com seus dispositivos, os cientistas conseguiramprecisão de 99,8% a 99,9% para portas de qubit único de 13 ns em três qubits unimon diferentes. Os pesquisadores observam que, devido à maior anarmonicidade ou não linearidade do que nos transmons, os unimons podem ser trabalhados mais rapidamente, resultando em menos erros por operação.
Unimons são muito simples, mas têm muitas vantagens.na frente dos transm. O fato de o primeiro unimon já criado ter funcionado tão bem abre muito espaço para otimização e grandes avanços.
Mikko Mettonen, professor de tecnologia quântica na Universidade de Aalto
Os pesquisadores continuarão a trabalhar em melhorias nadesign, materiais e tempos de porta unimon para exceder a meta de 99,99% de precisão para criar uma vantagem quântica útil e correção de erros eficiente em dispositivos práticos baseados em um grande número de qubits.
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