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Seja fazendo um bolo, construindo uma casa ou desenvolvendo um dispositivo quântico, a qualidade do produto final depende significativamente de seus ingredientes ou materiais de base. Pesquisadores que trabalham para melhorar o desempenho de qubits supercondutores, a base dos computadores quânticos, têm experimentado o uso de diferentes materiais de base em um esforço para aumentar o tempo de vida coerente dos qubits. O tempo de coerência é uma medida de quanto tempo um qubit retém informações quânticas e, portanto, uma medida primária de desempenho. Recentemente, os cientistas descobriram que o uso de tântalo em qubits supercondutores faz com que eles tenham um desempenho melhor, mas ninguém foi capaz de determinar o porquê – até agora.
Cientistas do Center for Functional Nanomaterials (CFN), National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), Co-design Center for Quantum Advantage (C2QA), e a Universidade de Princeton investigou as razões fundamentais pelas quais esses qubits funcionam melhor ao decodificar o perfil químico do tântalo. Os resultados deste trabalho, recentemente publicados na revista ciência avançada, fornecerá conhecimento essencial para projetar qubits ainda melhores no futuro. CFN e NSLS-II são Departamento de Energia dos EUA (DOE) Office of Science User Facilities no Brookhaven National Laboratory do DOE. C2O QA é um centro nacional de pesquisa em ciência da informação quântica liderado por Brookhaven, do qual a Universidade de Princeton é um parceiro importante.
Encontrando o ingrediente certo
O tântalo é um metal único e versátil. É denso, duro e fácil de trabalhar. O tântalo também tem um alto ponto de fusão e é resistente à corrosão, tornando-o útil em muitas aplicações comerciais. Além disso, o tântalo é um supercondutor, o que significa que não possui resistência elétrica quando resfriado a temperaturas suficientemente baixas e, consequentemente, pode transportar corrente sem perda de energia.
Os qubits supercondutores baseados em tântalo demonstraram tempos de vida recordes de mais de meio milissegundo. Isso é cinco vezes mais do que a vida útil dos qubits feitos com nióbio e alumínio, que atualmente são implantados em processadores quânticos de grande escala.
Essas propriedades tornam o tântalo um excelente material candidato para a construção de qubits melhores. Ainda assim, o objetivo de melhorar os computadores quânticos supercondutores foi prejudicado pela falta de compreensão sobre o que está limitando o tempo de vida dos qubits, um processo conhecido como decoerência. Ruído e fontes microscópicas de perda dielétrica são geralmente considerados como contribuintes; no entanto, os cientistas não sabem exatamente por que e como.
“O trabalho neste artigo é um dos dois estudos paralelos com o objetivo de abordar um grande desafio na fabricação de qubits”, explicou Nathalie de Leon, professora associada de engenharia elétrica e de computação na Universidade de Princeton e líder de materiais para C2controle de qualidade “Ninguém propôs um modelo microscópico e atomístico para a perda que explique todo o comportamento observado e depois foi capaz de mostrar que seu modelo limita um determinado dispositivo. Isso requer técnicas de medição precisas e quantitativas, bem como análise de dados sofisticada.”
Resultados surpreendentes
Para obter uma imagem melhor da fonte de decoerência qubit, cientistas de Princeton e CFN cultivaram e processaram quimicamente filmes de tântalo em substratos de safira. Eles então levaram essas amostras para as linhas de luz suave e macia de espectroscopia (SST-1 e SST-2) em NSLS-II para estudar o óxido de tântalo que se formou na superfície usando espectroscopia de fotoelétrons de raios-x (XPS). O XPS usa raios-x para expulsar elétrons da amostra e fornece pistas sobre as propriedades químicas e o estado eletrônico dos átomos próximos à superfície da amostra. Os cientistas levantaram a hipótese de que a espessura e a natureza química dessa camada de óxido de tântalo desempenharam um papel na determinação da coerência do qubit, já que o tântalo tem uma camada de óxido mais fina em comparação com o nióbio mais comumente usado em qubits.
“Nós medimos esses materiais nas linhas de luz para entender melhor o que estava acontecendo”, explicou Andrew Walter, cientista líder da linha de luz no programa de espectroscopia e dispersão de raios-x suaves do NSLS-II. “Havia uma suposição de que a camada de óxido de tântalo era bastante uniforme, mas nossas medições mostraram que não é nada uniforme. É sempre mais interessante quando você descobre uma resposta inesperada, porque é quando você aprende alguma coisa.”
A equipe encontrou vários tipos diferentes de óxidos de tântalo na superfície do tântalo, o que levou a um novo conjunto de questões no caminho para a criação de melhores qubits supercondutores. Essas interfaces podem ser modificadas para melhorar o desempenho geral do dispositivo e quais modificações forneceriam o maior benefício? Que tipos de tratamentos de superfície podem ser usados para minimizar a perda?
Incorporando o espírito do codesign
“Foi inspirador ver especialistas de formações muito diferentes se unindo para resolver um problema comum”, disse Mingzhao Liu, cientista de materiais da CFN e líder subthrust de materiais em C2controle de qualidade “Este foi um esforço altamente colaborativo, reunindo as instalações, recursos e conhecimentos compartilhados entre todas as nossas instalações. Do ponto de vista da ciência dos materiais, foi emocionante criar essas amostras e fazer parte integrante desta pesquisa.”
Walter disse: “Trabalhar assim fala da maneira como C2O controle de qualidade foi criado. Os engenheiros elétricos da Universidade de Princeton contribuíram muito para o gerenciamento, projeto, análise de dados e testes de dispositivos. O grupo de materiais do CFN cresceu e processou amostras e materiais. Meu grupo no NSLS-II caracterizou esses materiais e suas propriedades eletrônicas.”
Ter esses grupos especializados reunidos não apenas fez com que o estudo se desenvolvesse de maneira mais suave e eficiente, mas também deu aos cientistas uma compreensão de seu trabalho em um contexto mais amplo. Alunos e pós-doutorandos puderam adquirir experiências inestimáveis em diversas áreas e contribuir para esta pesquisa de forma significativa.
“Às vezes, quando os cientistas de materiais trabalham com físicos, eles entregam seus materiais e esperam ouvir os resultados”, disse de Leon, “mas nossa equipe estava trabalhando lado a lado, desenvolvendo novos métodos ao longo do caminho que poderiam ser amplamente utilizado na linha de luz daqui para frente.”
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