Nova pesquisa mostra a importância da topografia precisa em qubits de néon sólido

Os computadores quânticos têm o potencial de serem ferramentas revolucionárias pela sua capacidade de realizar cálculos que levariam muitos anos para os computadores clássicos serem resolvidos.

Mas para criar um computador quântico eficaz, você precisa de um bit quântico confiável, ou qubit, que possa existir em um estado simultâneo 0 ou 1 por um período suficientemente longo, conhecido como tempo de coerência.

Uma abordagem promissora é prender um único elétron em uma superfície sólida de néon, chamada de qubit elétron sobre néon sólido. Um estudo liderado pelo professor Wei Guo da Faculdade de Engenharia da FAMU-FSU que foi publicado em Cartas de revisão física mostra uma nova visão sobre o estado quântico que descreve a condição dos elétrons em tal qubit, informação que pode ajudar os engenheiros a construir esta tecnologia inovadora.

A equipe de Guo descobriu que pequenas saliências na superfície do néon sólido no qubit podem ligar elétrons naturalmente, o que cria estados quânticos em forma de anel desses elétrons. O estado quântico refere-se às diversas propriedades de um elétron, como posição, momento e outras características, antes de serem medidas. Quando as saliências têm um determinado tamanho, a energia de transição do elétron – a quantidade de energia necessária para um elétron se mover de um estado de anel quântico para outro – alinha-se com a energia dos fótons de micro-ondas, outra partícula elementar.

Esse alinhamento permite a manipulação controlada do elétron, necessária para a computação quântica.

“Este trabalho avança significativamente a nossa compreensão do mecanismo de captura de elétrons em uma promissora plataforma de computação quântica”, disse Guo. “Ele não apenas esclarece observações experimentais intrigantes, mas também fornece insights cruciais para o projeto, otimização e controle de qubits de elétrons sobre néon sólido.”

Trabalhos anteriores de Guo e colaboradores demonstraram a viabilidade de uma plataforma qubit de elétron único de estado sólido usando elétrons presos em néon sólido. Pesquisas recentes mostraram tempos de coerência tão grandes quanto 0,1 milissegundo, ou 100 vezes mais do que os tempos de coerência típicos de 1 microssegundo para qubits de carga convencionais baseados em semicondutores e supercondutores.

O tempo de coerência determina por quanto tempo um sistema quântico pode manter um estado de superposição – a capacidade do sistema de estar em vários estados ao mesmo tempo até ser medido, o que é uma característica que dá aos computadores quânticos suas habilidades únicas.

O tempo de coerência estendido do qubit elétron-néon sólido pode ser atribuído à inércia e pureza do néon sólido. Este sistema qubit também aborda a questão das vibrações da superfície líquida, um problema inerente ao qubit de elétron sobre hélio líquido mais extensivamente estudado. A pesquisa atual oferece insights cruciais para otimizar ainda mais o qubit elétron-néon-sólido.

Uma parte crucial dessa otimização é criar qubits que sejam suaves na maior parte da superfície sólida de néon, mas que tenham saliências do tamanho certo onde são necessários. Os projetistas desejam o mínimo de saliências naturais na superfície que atraiam cargas elétricas de fundo perturbadoras. Ao mesmo tempo, fabricar intencionalmente saliências do tamanho correto dentro do ressonador de micro-ondas no qubit melhora a capacidade de capturar elétrons.

“Esta pesquisa ressalta a necessidade crítica de mais estudos sobre como diferentes condições afetam a fabricação de qubits de neon”, disse Guo. “As temperaturas e a pressão da injeção de neon influenciam o produto final do qubit. Quanto mais controle tivermos sobre esse processo, mais precisos poderemos construir e mais próximos estaremos da computação quântica que pode resolver cálculos atualmente incontroláveis.”

Os co-autores deste artigo foram Toshiaki Kanai, um ex-aluno de pesquisa de pós-graduação no Departamento de Física da FSU, e Dafei Jin, professor associado da Universidade de Notre Dame.