Decaimento da coerência do qubit rastreado até a dissipação térmica

Físicos da Universidade Aalto, na Finlândia, juntamente com uma equipe internacional de colaboradores, demonstraram teórica e experimentalmente que a perda de coerência do qubit supercondutor pode ser medida diretamente como dissipação térmica no circuito elétrico que contém o qubit.

O trabalho teórico do grupo foi realizado em parceria com colegas da Universidade de Madrid. A pesquisa foi publicada em Natureza Nanotecnologia.

No coração dos computadores quânticos e detectores ultrassensíveis mais avançados estão as junções Josephson supercondutoras, os elementos básicos dos qubits––ou bits quânticos. Como o nome sugere, esses qubits e seus circuitos são condutores muito eficientes de eletricidade.

“Apesar do rápido progresso na criação de qubits de alta qualidade, ainda há uma questão importante não resolvida: como e onde ocorre a dissipação térmica?”, diz Bayan Karimi, pesquisador de pós-doutorado no grupo de pesquisa Pico da Universidade Aalto e primeiro autor do estudo.

“Desenvolvemos há muito tempo métodos para medir essa perda com base na experiência do nosso grupo em termodinâmica quântica”, acrescenta Jukka Pekola, professor da Universidade Aalto que lidera o grupo de pesquisa Pico.

À medida que os físicos continuam a pressionar por qubits cada vez mais eficientes na corrida para aprimorar a tecnologia em torno dos dispositivos quânticos, esses novos dados permitem que os pesquisadores entendam melhor como seus qubits decaem. Em termos de computação quântica, qubits com tempos de coerência mais longos permitem mais operações, levando a cálculos mais complexos inatingíveis em ambientes de computação clássicos.

Calor no ar

A transmissão de supercorrentes é possível pelo efeito Josephson, onde dois materiais supercondutores muito próximos podem suportar uma corrente sem nenhuma voltagem aplicada. Como resultado do estudo, perdas de energia não atribuídas anteriormente podem ser rastreadas até a radiação térmica originada nos qubits e propagada pelos fios.

Pense em uma fogueira aquecendo alguém na praia––o ar ambiente permanece frio, mas a pessoa ainda sente o calor irradiando do fogo. Karimi diz que esse mesmo tipo de radiação leva à dissipação no qubit.

Essa perda já foi notada antes por físicos que conduziram experimentos em grandes conjuntos de centenas de junções Josephson colocadas em circuito. Como um jogo de telefone sem fio, uma dessas junções pareceria desestabilizar o resto mais abaixo na linha.

Originalmente formulando seus experimentos com essas muitas junções em uma matriz, Karimi, Pekola e a equipe começaram a traçar seu caminho de volta para experimentos cada vez mais simples. Sua configuração experimental final: observar os efeitos de ajustar a voltagem em uma única junção Josephson.

Ao colocar um absorvedor térmico ultrassensível próximo a essa junção, eles conseguiram medir passivamente a radiação muito fraca emitida por essa junção em cada transição de fase em uma ampla faixa de frequências de até 100 gigahertz.

O trabalho foi feito em colaboração com o professor da Cátedra de Excelência do InstituteQ, Charles Marcus, da Universidade de Washington, nos EUA, e o Instituto Niels Bohr em Copenhague, Dinamarca. A fabricação dos dispositivos usados ​​nos experimentos utilizou as salas limpas da OtaNano, a infraestrutura nacional de pesquisa da Finlândia para micro e nanotecnologias.