Uma nova pesquisa investiga o qubit elétron-em-neon-sólido, revelando que pequenas saliências em superfícies de neon sólido criam estados quânticos estáveis, permitindo manipulação precisa. Esta pesquisa, apoiada por várias fundações, enfatiza a importância de otimizar a fabricação de qubits, nos aproximando de soluções práticas de computação quântica.
Pesquisas recentes avançaram no desenvolvimento de qubits de elétron em neon sólido, revelando insights importantes que melhoram a computação quântica ao estender os tempos de coerência dos qubits e otimizar seu design.
Os computadores quânticos têm o potencial de serem ferramentas revolucionárias devido à sua capacidade de realizar cálculos que os computadores clássicos levariam muitos anos para resolver.
Mas para criar um computador quântico eficaz, você precisa de um bit quântico confiável, ou qubit, que possa existir em um estado 0 ou 1 simultâneo por um período suficientemente longo, conhecido como tempo de coerência.
Uma abordagem promissora é capturar um único elétron em uma superfície sólida de neon, chamada de qubit elétron-em-neon-sólido. Um estudo liderado pelo Professor Wei Guo da Faculdade de Engenharia da FAMU-FSU, publicado na Physical Review Letters, mostra uma nova visão sobre o estado quântico que descreve a condição dos elétrons em tal qubit, informações que podem ajudar engenheiros a construir essa tecnologia inovadora.
Um diagrama de um bit quântico de elétron em neon sólido. Crédito: Cortesia de Wei Guo
Dinâmica de estados quânticos e design de qubits
A equipe de Guo descobriu que pequenas saliências na superfície do neon sólido no qubit podem naturalmente ligar elétrons, o que cria estados quânticos em forma de anel desses elétrons. O estado quântico se refere às várias propriedades de um elétron, como posição, momento e outras características, antes de serem medidas. Quando as saliências têm um certo 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 — se alinha com a energia dos fótons de micro-ondas, outra partícula elementar.
Wei Guo, professor do Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia da FAMU-FSU. Crédito: Mark Wallheiser/Faculdade de Engenharia da FAMU-FSU
Esse alinhamento permite a manipulação controlada do elétron, necessária para a computação quântica.
“Este trabalho avança significativamente nossa compreensão do mecanismo de captura de elétrons em uma plataforma de computação quântica promissora”, disse Guo. “Ele não apenas esclarece observações experimentais intrigantes, mas também fornece insights cruciais para o design, otimização e controle de qubits de elétron em neon sólido.”
Trabalhos anteriores de Guo e colaboradores demonstrou a viabilidade de uma plataforma de qubit de elétron único de estado sólido usando elétrons presos em neon sólido. Pesquisas recentes mostraram tempos de coerência tão grandes quanto 0,1 milissegundos, ou 100 vezes mais longos 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.
Otimizando o desempenho do Qubit
O tempo de coerência estendido do qubit elétron-sobre-néon-sólido pode ser atribuído à inércia e pureza do néon sólido. Este sistema de qubit também aborda a questão das vibrações da superfície líquida, um problema inerente ao qubit elétron-sobre-hélio-líquido mais amplamente estudado. A pesquisa atual oferece insights cruciais para otimizar ainda mais o qubit elétron-sobre-néon-sólido.
Uma parte crucial dessa otimização é criar qubits que sejam suaves na maior parte da superfície sólida de neon, mas tenham saliências do tamanho certo onde são necessárias. Os designers querem saliências naturais mínimas na superfície que atraiam carga elétrica de fundo disruptiva. 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.”
Referência: “Single-Electron Qubits Based on Quantum Ring States on Solid Neon Surface” por Toshiaki Kanai, Dafei Jin e Wei Guo, 18 de junho de 2024, Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.250603
Os coautores deste artigo foram Toshiaki Kanai, ex-aluno de pesquisa de pós-graduação no Departamento de Física da FSU, e Dafei Jin, professor associado da Universidade de Notre Dame.
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation, pela Gordon and Betty Moore Foundation e pelo Air Force Office of Scientific Research.
