Físicos desenvolveram um material supercondutor inovador que pode revolucionar a escalabilidade e a confiabilidade dos componentes da computação quântica .

Ao combinar telúrio trigonal com uma película fina de ouro, eles criaram um supercondutor de interface bidimensional com polarização de spin aprimorada, o que mostra ser promissor para criar qubits de spin estáveis. A transição do material sob um campo magnético sugere que ele poderia ser usado como um supercondutor tripleto, potencialmente levando a componentes de computação quântica mais robustos. Além disso, a nova tecnologia de supercondutor suprime naturalmente fontes de decoerência, um desafio significativo na computação quântica, usando materiais não magnéticos para interfaces mais limpas.

Avanço inovador de supercondutores na computação quântica

Um novo material supercondutor que poderia ser potencialmente usado em computação quântica e ser um candidato a “supercondutor topológico” foi desenvolvido por uma equipe multi-institucional de cientistas nos Estados Unidos, liderada pelo físico Peng Wei da Universidade da Califórnia, Riverside.

Topologia é a matemática da forma. Um supercondutor topológico usa um estado deslocalizado de um elétron ou buraco (um buraco se comporta como um elétron com carga positiva) para transportar informações quânticas e processar dados de forma robusta.

Material quiral e supercondutividade de interface

Os pesquisadores relatam hoje (23 de agosto) na Science Advances que combinaram telúrio trigonal com um supercondutor de estado de superfície gerado na superfície de uma fina película de ouro. O telúrio trigonal é um material quiral, o que significa que não pode ser sobreposto em sua imagem espelhada, como nossas mãos esquerda e direita. O telúrio trigonal também não é magnético. No entanto, os pesquisadores observaram estados quânticos na interface que hospedam polarização de spin bem definida. A polarização de spin permite que as excitações sejam potencialmente usadas para criar um bit quântico de spin — ou qubit.

Polarização de spin e potencial de qubit

“Ao criar uma interface muito limpa entre o material quiral e o ouro, desenvolvemos um supercondutor de interface bidimensional”, disse Wei, professor associado de física e astronomia. “O supercondutor de interface é único, pois vive em um ambiente onde a energia do spin é seis vezes mais aumentada do que aquelas em supercondutores convencionais.”

Os pesquisadores observaram que o supercondutor de interface passa por uma transição sob um campo magnético e se torna mais robusto em campos altos em comparação com campos baixos, o que sugere uma transição para um “supercondutor tripleto”, que é mais estável sob um campo magnético.

Suprimindo a decoerência na computação quântica

Além disso, por meio da colaboração com cientistas do National Institute of Standards and Technology (NIST), os pesquisadores mostraram que tal supercondutor envolvendo filmes finos de ouro e nióbio de heteroestrutura suprime naturalmente fontes de decoerência de defeitos de material, como óxidos de nióbio, que são um desafio comum para supercondutores de nióbio. Eles mostraram que o supercondutor pode ser transformado em ressonadores de micro-ondas de baixa perda e alta qualidade com um fator de qualidade que chega a 1 milhão.

Implicações para a tecnologia de computação quântica

A nova tecnologia tem aplicações na computação quântica, um campo que aproveita a mecânica quântica para resolver problemas complexos que computadores clássicos ou supercomputadores não conseguem resolver ou não conseguem resolver rápido o suficiente, de acordo com a empresa multinacional de tecnologia IBM.

“Conseguimos isso usando materiais que são uma ordem de magnitude mais finos do que aqueles normalmente usados ​​na indústria de computação quântica”, disse Wei. “Os ressonadores de micro-ondas de baixa perda são componentes críticos da computação quântica e podem levar a qubits supercondutores de baixa perda. O maior desafio na computação quântica é reduzir a decoerência ou perda de informação quântica em um sistema de qubit.”

A decoerência ocorre quando um sistema quântico interage com seu ambiente, levando a informação do sistema a se misturar com o ambiente. A decoerência representa um desafio para a realização de computadores quânticos.

Diferentemente de métodos anteriores que exigem materiais magnéticos, a nova abordagem dos pesquisadores usa materiais não magnéticos para uma interface mais limpa.

Um futuro promissor para componentes quânticos escaláveis

“Nosso material pode ser um candidato promissor para o desenvolvimento de componentes de computação quântica mais escaláveis ​​e confiáveis”, disse Wei.

Referência: “Assinaturas de uma interface spin-ativa e campo Zeeman localmente aprimorado em uma heteroestrutura de material supercondutor-quiral” 23 de agosto de 2024, Avanços da Ciência.
DOI: 10.1126/sciadv.ado4875

Wei foi acompanhado na pesquisa por seus alunos de pós-graduação na UCR.

A contribuição da UCR para o projeto de pesquisa foi financiada pelo prêmio NSF CAREER de Wei, uma bolsa NSF Convergence Accelerator Track-C compartilhada pela UCR e pelo MIT , e um fundo Lincoln Lab Line compartilhado pela UCR e pelo MIT.

A tecnologia foi divulgada ao Escritório de Parcerias Tecnológicas da UCR e uma patente provisória foi registrada.