Pesquisadores liderados pela professora Giulia Gall da Escola de Engenharia Molecular da UChicago Pritzker, juntamente com colaboradores na Suécia, usaram abordagens teóricas e computacionais para descobrir como defeitos no óxido de cálcio simples podem produzir qubits com um punhado de propriedades promissoras. Crédito: Escola de Engenharia Molecular UChicago Pritzker / Peter Allen, editado
Os pesquisadores descobriram que os átomos de bismuto incorporados no óxido de cálcio podem funcionar como qubits para computadores quânticos, fornecendo uma alternativa de baixo ruído, durável e barata aos materiais atuais. Este estudo inovador destaca seu potencial para transformar
O óxido de cálcio é um composto químico barato e calcário, frequentemente usado na fabricação de cimento, gesso, papel e aço. No entanto, o material comum poderá em breve ter uma aplicação mais de alta tecnologia.
Os cientistas usaram abordagens teóricas e computacionais para descobrir como átomos minúsculos e solitários de bismuto incorporados no óxido de cálcio sólido podem atuar como qubits – os blocos de construção de computadores quânticos e dispositivos de comunicação quântica. Esses qubits foram descritos por
Universidade de Chicago Pesquisadores da Escola Pritzker de Engenharia Molecular e seu colaborador na Suécia em 6 de junho na revista científica Nature Communications.
“Este sistema tem propriedades ainda melhores do que esperávamos”, disse Giulia Galli, professora da família Liew na Pritzker Molecular Engineering and Chemistry e autora sênior do novo trabalho. “Ele tem um nível de ruído incrivelmente baixo, pode reter informações por muito tempo e não é feito com um material sofisticado e caro.”
O óxido de cálcio, também conhecido como cal virgem, é um composto químico branco, cáustico e alcalino derivado de calcário e outros materiais ricos em cálcio. É utilizado principalmente na produção de cimento e argamassa, bem como na siderurgia, no tratamento de água e na fabricação de vidro, cerâmica e papel. Quando misturado com água, reage exotérmicamente para formar hidróxido de cálcio, comumente conhecido como cal apagada.
Avanços no desenvolvimento Qubit
Um bit quântico, ou qubit, é a unidade básica de informação que codifica dados na computação quântica. Hoje, os pesquisadores desenvolveram muitos tipos diferentes de qubits, que geralmente são compostos de pequenos defeitos pontuais em materiais semicondutores. Algumas das propriedades desses defeitos podem ser usadas para armazenar informações. No entanto, muitos qubits existentes são incrivelmente frágeis; O “ruído” eletrônico ou magnético em seu entorno pode alterar suas propriedades, apagando qualquer informação que tenha sido codificada dentro deles.
Em 2022, uma colaboração entre cientistas do Japão e os grupos de David Awschalom e Galli simulou as propriedades de mais de 12.000 materiais para descobrir novos sólidos potenciais que poderiam conter defeitos promissores agindo como qubits. Aquele trabalho revelou o óxido de cálcio como um dos vários materiais com potencial para conter qubits que codificam informações com níveis de ruído muito baixos por um período de tempo especialmente longo.
Descobrindo novos materiais quânticos
“Nosso trabalho anterior nos disse que se você encontrar os defeitos certos para colocar em sua estrutura, o óxido de cálcio seria um meio perfeito para armazenar informações quânticas”, disse Nikita Onizhuk, pós-doutoranda no grupo Galli e uma das autoras do estudo. papel. “Portanto, nosso novo objetivo era encontrar o defeito ideal.”
No novo artigo, Galli e seus colegas usaram uma série de métodos computacionais que foram estabelecidos nos últimos anos para rastrear mais de 9.000 defeitos diferentes no óxido de cálcio quanto ao seu potencial como qubits. Os resultados apontaram para um tipo de defeito – no qual um antimônio, bismuto ou iodo
O atom está incorporado na estrutura usual de cálcio e oxigênio que constitui o óxido de cálcio.
“Ele tem um nível de ruído incrivelmente baixo, pode reter informações por muito tempo e não é feito com um material sofisticado e caro.”
– Profª Giulia Galli
“Nunca poderíamos ter imaginado que estes defeitos exatos seriam tão promissores”, disse Joel Davidsson, da Universidade de Linköping, o primeiro autor do artigo e principal desenvolvedor da abordagem de alto rendimento usada para descobrir novos defeitos de spin. “A única maneira de fazer isso era com procedimentos de triagem completos e imparciais.”
A equipe de Galli mostrou então, por meio de suas abordagens de modelagem, que o defeito de bismuto no óxido de cálcio pode, teoricamente, codificar dados com pouco ruído e por períodos de tempo relativamente longos (vários segundos em comparação com os milissegundos de coerência mostrados por muitos qubits). Ele também tem potencial para combinar bem com dispositivos de telecomunicações devido ao índice de refração do material e à sua capacidade de emitir fótons de luz.
Galli e colaboradores estão agora a trabalhar com grupos experimentais que podem construir materiais à base de óxido de cálcio e testar se as previsões são verdadeiras.
“Estamos nos estágios iniciais, mas do ponto de vista da ciência fundamental, achamos que este material é muito promissor”, disse Galli.
Referência: “Descoberta de defeitos de spin semelhantes a relógios atômicos em óxidos simples a partir dos primeiros princípios” por Joel Davidsson, Mykyta Onizhuk, Christian Vorwerk e Giulia Galli, 6 de junho de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-49057-8
Financiamento: Este trabalho foi apoiado pelo Centro Sueco de Pesquisa em Ciência Eletrônica (SeRC), pela Fundação Knut e Alice Wallenberg, pelo Conselho Sueco de Pesquisa, uma bolsa de doutorado do Google e o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea.
