Arquiteturas diferentes de qubits podem facilitar a fabricação de blocos de construção de computadores quânticos

Cientistas do Brookhaven National Laboratory do Departamento de Energia dos EUA (DOE) mostraram que um tipo de qubit cuja arquitetura é mais passível de produção em massa pode ter desempenho comparável aos qubits que atualmente dominam o campo. Com uma série de análises matemáticas, os cientistas forneceram um roteiro para fabricação de qubits mais simples que permite a fabricação robusta e confiável desses blocos de construção de computadores quânticos.

Esta pesquisa foi conduzida como parte do Co-design Center for Quantum Advantage (C²QA), um Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica do DOE liderado pelo Laboratório Brookhaven, e se baseia em anos de colaboração científica focada em melhorar o desempenho de qubits para computadores quânticos escaláveis.

Recentemente, cientistas têm trabalhado para aumentar a quantidade de tempo que os qubits retêm informações quânticas, uma propriedade conhecida como coerência que está intimamente ligada à qualidade da junção de um qubit.

Eles têm se concentrado particularmente em qubits supercondutores cuja arquitetura inclui duas camadas supercondutoras separadas por um isolante. Esta parte do qubit é conhecida como junção SIS, para supercondutor-isolante-supercondutor. Mas a fabricação confiável dessas junções tipo sanduíche não é fácil, especialmente na precisão necessária para a produção em larga escala de computadores quânticos.

“Fazer junções SIS é realmente uma arte”, disse Charles Black, coautor do artigo publicado na Revisão Física A e diretor do Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN), uma instalação do Departamento de Ciências do DOE no Laboratório Brookhaven.

Black e Mingzhao Liu, cientista sênior do CFN e principal autor do artigo, fizeram parte do C²QA desde sua criação em 2020. E enquanto eles têm ajudado cientistas quânticos a entender a ciência dos materiais dos qubits para melhorar sua coerência, eles também ficaram curiosos sobre a escalabilidade dessa arte de construção de qubits e sua compatibilidade com a necessidade inevitável de fabricar computadores quânticos em larga escala.

Então, os cientistas voltaram sua atenção para arquiteturas de qubit com junções supercondutoras compostas de duas camadas conectadas por um fio supercondutor fino, em vez de uma camada isolante intermediária. Conhecida como junção de constrição, essa arquitetura fica plana em vez de empilhada como um sanduíche. E, o mais importante, o processo de fabricação de junções de constrição é compatível com métodos padrão em instalações de fabricação de semicondutores.

“Em nosso trabalho, investigamos o impacto dessa mudança arquitetônica”, disse Black. “Nosso objetivo era entender as compensações de desempenho de fazer a troca para junções de constrição.”

Superando o aumento do fluxo de corrente e da linearidade

A arquitetura de qubit supercondutor mais prevalente funciona melhor quando a junção que conecta os dois supercondutores transmite apenas um pouco de corrente. Embora o isolante no sanduíche SIS impeça quase toda a transmissão de corrente, ele é fino o suficiente para permitir uma pequena quantidade por meio de um mecanismo conhecido como tunelamento quântico.

“A arquitetura SIS é ideal para os qubits supercondutores de hoje, embora seja difícil de fabricar”, disse Black. “Mas é um pouco contraintuitivo substituir o SIS por uma constrição, que intrinsecamente conduz muita corrente.”

Por meio de sua análise, os pesquisadores mostraram que é possível reduzir a corrente que viaja por uma junção de constrição para um nível apropriado para um qubit supercondutor. No entanto, o método requer menos metais supercondutores tradicionais.

“O fio de constrição teria que ser impraticavelmente fino se usássemos alumínio, tântalo ou nióbio”, explicou Liu. “Outros supercondutores que não conduzem tão bem nos permitiriam fabricar a junção de constrição em dimensões práticas.”

No entanto, junções de constrição se comportam de forma diferente de suas contrapartes SIS. Então, os cientistas também investigaram as consequências de fazer essa mudança arquitetônica.

Para funcionar, qubits supercondutores requerem alguma não linearidade, o que limita o qubit a operar entre apenas dois níveis de energia. Supercondutores não exibem comportamento não linear naturalmente — é a junção do qubit que introduz essa propriedade-chave.

Junções de constrição supercondutoras são inerentemente mais lineares do que junções SIS testadas e comprovadas, o que significa que são menos ideais para arquiteturas de qubit. No entanto, os cientistas descobriram que a não linearidade da junção de constrição pode ser ajustada por meio da seleção de um material supercondutor e do design apropriado do tamanho e formato da junção.

“Estamos animados com este trabalho porque ele aponta os cientistas de materiais para alvos específicos com base nos requisitos do dispositivo”, explicou Liu. Por exemplo, os cientistas identificaram que para qubits operando entre 5 e 10 gigahertz, o que é típico para a eletrônica de hoje, precisa haver compensações específicas entre a capacidade do material de transportar eletricidade, determinada por sua resistência, e a não linearidade da junção.

“Certas combinações de propriedades materiais simplesmente não funcionam para qubits operando a 5 gigahertz”, disse Black. Mas com materiais que atendem aos critérios delineados pelos cientistas de Brookhaven, qubits com junções de constrição podem operar de forma semelhante a qubits com junções SIS.

Liu e Black estão atualmente trabalhando com seu C²Colegas de QA para explorar materiais que podem atender às especificações descritas em seu novo artigo. Silicidas de metais de transição supercondutores, em particular, capturaram sua atenção porque esses materiais já são usados ​​na fabricação de semicondutores.

“Neste trabalho, mostramos que é possível mitigar as características preocupantes das junções de constrição”, disse Liu. “Então, agora podemos começar a explorar o benefício do processo de fabricação de qubit mais simples.”

Esta obra incorpora C²O princípio fundamental de codesign da QA, quando Liu e Black exploraram uma arquitetura de qubit que poderia satisfazer as demandas da computação quântica e se alinhar às atuais capacidades de fabricação de eletrônicos.

“Esses tipos de colaborações interdisciplinares continuarão nos aproximando da realização de computadores quânticos escaláveis”, disse Black. “É quase difícil acreditar que os humanos tenham alcançado os computadores quânticos que temos hoje. Estamos muito animados em desempenhar um papel em ajudar a C²“QA atinge seus objetivos.”