Como os transístores em um computador clássico, os qubits supercondutores são os blocos de construção de um computador quântico . Embora os engenheiros tenham conseguido encolher os transístores para escalas nanométricas, os qubits supercondutores ainda são medidos em milímetros. Esta é uma razão pela qual um dispositivo prático de computação quântica não pode ser miniaturizado para o tamanho de um smartphone, por exemplo.
Os pesquisadores do MIT agora usaram materiais ultrafinos para construir qubits supercondutores que são pelo menos um centésimo do tamanho dos projetos convencionais e sofrem menos interferência entre qubits vizinhos. Esse avanço pode melhorar o desempenho dos computadores quânticos e possibilitar o desenvolvimento de dispositivos quânticos menores.
Os pesquisadores demonstraram que o nitreto de boro hexagonal, um material que consiste em apenas algumas monocamadas de átomos, pode ser empilhado para formar o isolante nos capacitores em um qubit supercondutor. Esse material livre de defeitos permite capacitores muito menores do que os normalmente usados em um qubit, o que reduz sua pegada sem sacrificar significativamente o desempenho.
“No momento, podemos ter talvez 50 ou 100 qubits em um dispositivo, mas para uso prático no futuro, precisaremos de milhares ou milhões de qubits em um dispositivo. Portanto, será muito importante miniaturizar o tamanho de cada qubit individual e, ao mesmo tempo, evitar o cross-talk indesejado entre essas centenas de milhares de qubits. Este é um dos poucos materiais que encontramos que podem ser usados nesse tipo de construção”, diz o coautor Joel Wang, pesquisador do grupo de Sistemas Quânticos de Engenharia do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica do MIT.
A coautora principal de Wang é Megan Yamoah '20, uma ex-aluna do grupo de Engenharia de Sistemas Quânticos que atualmente estuda na Universidade de Oxford com uma bolsa Rhodes. Pablo Jarillo-Herrero, professor de física Cecil e Ida Green, é autor correspondente, e o autor sênior é William D. Oliver, professor de engenharia elétrica e ciência da computação e de física, membro do MIT Lincoln Laboratory Fellow, diretor do Center for Quantum Engineering e diretor associado do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica. A pesquisa foi publicada hoje na Nature Materials.
Qubit dilemas
Os qubits supercondutores, um tipo particular de plataforma de computação quântica que usa circuitos supercondutores, contêm indutores e capacitores. Assim como em um rádio ou outro dispositivo eletrônico, esses capacitores armazenam a energia do campo elétrico. Um capacitor geralmente é construído como um sanduíche, com placas de metal em ambos os lados de um material isolante ou dielétrico.
Mas, ao contrário de um rádio, os computadores quânticos supercondutores operam em temperaturas superfrias – menos de 0,02 graus acima do zero absoluto (-273,15 graus Celsius) – e possuem campos elétricos de alta frequência, semelhantes aos telefones celulares de hoje. A maioria dos materiais isolantes que funcionam neste regime apresentam defeitos. Embora não seja prejudicial para a maioria das aplicações clássicas, quando a informação quântica coerente passa pela camada dielétrica, ela pode se perder ou ser absorvida de alguma maneira aleatória.
“Os dielétricos mais comuns usados em circuitos integrados, como óxidos de silício ou nitretos de silício, apresentam muitos defeitos, resultando em fatores de qualidade em torno de 500 a 1.000. Isso é simplesmente muito prejudicial para aplicativos de computação quântica”, diz Oliver.
Para contornar isso, os capacitores qubit convencionais são mais como sanduíches de face aberta, sem placa superior e um vácuo acima da placa inferior para atuar como camada isolante.
“O preço que se paga é que as placas são muito maiores porque você dilui o campo elétrico e usa uma camada muito maior para o vácuo”, diz Wang. “O tamanho de cada qubit individual será muito maior do que se você pudesse conter tudo em um pequeno dispositivo. E o outro problema é que, quando você tem dois qubits próximos um do outro, e cada qubit tem seu próprio campo elétrico aberto para o espaço livre, pode haver alguma conversa indesejada entre eles, o que pode dificultar o controle de apenas um qubit. Adoraríamos voltar à ideia original de um capacitor, que são apenas duas placas elétricas com um isolador muito limpo entre elas.”
Então, foi isso que esses pesquisadores fizeram.
Eles pensaram que o nitreto de boro hexagonal, que é de uma família conhecida como materiais de van der Waals (também chamados de materiais 2D), seria um bom candidato para construir um capacitor. Este material único pode ser reduzido a uma camada de átomos com estrutura cristalina e sem defeitos. Os pesquisadores podem então empilhar essas camadas finas nas configurações desejadas.
Para testar o nitreto de boro hexagonal, eles realizaram experimentos para caracterizar quão limpo é o material ao interagir com um campo elétrico de alta frequência em temperaturas ultrafrias e descobriram que muito pouca energia é perdida quando passa pelo material.
“Grande parte do trabalho anterior que caracteriza o hBN (nitreto de boro hexagonal) foi realizado na frequência zero ou próxima dela usando medições de transporte DC. No entanto, os qubits operam no regime de gigahertz. É ótimo ver que os capacitores hBN têm fatores de qualidade superiores a 100.000 nessas frequências, entre os Qs mais altos que já vi para capacitores de placas paralelas integrados e definidos litograficamente”, diz Oliver.
Construção do capacitor
Eles usaram nitreto de boro hexagonal para construir um capacitor de placas paralelas para um qubit. Para fabricar o capacitor, eles colocaram nitreto de boro hexagonal entre camadas muito finas de outro material de van der Waals, disseleneto de nióbio.
O intrincado processo de fabricação envolveu a preparação de camadas de um átomo de espessura dos materiais sob um microscópio e, em seguida, o uso de um polímero pegajoso para pegar cada camada e empilhá-la em cima da outra. Eles colocaram o polímero pegajoso, com a pilha de materiais 2D, no circuito qubit, depois derreteram o polímero e o lavaram.
Em seguida, eles conectaram o capacitor à estrutura existente e resfriaram o qubit a 20 milikelvins (-273,13 C).
“Um dos maiores desafios do processo de fabricação é trabalhar com disseleneto de nióbio, que oxida em segundos se exposto ao ar. Para evitar isso, toda a montagem dessa estrutura tem que ser feita no que chamamos de porta-luvas, que é uma grande caixa cheia de argônio, que é um gás inerte que contém um nível muito baixo de oxigênio. Temos que fazer tudo dentro desta caixa”, diz Wang.
O qubit resultante é cerca de 100 vezes menor do que o que eles fizeram com técnicas tradicionais no mesmo chip. O tempo de coerência, ou vida útil, do qubit é apenas alguns microssegundos mais curto com seu novo design. E os capacitores construídos com nitreto de boro hexagonal contêm mais de 90% do campo elétrico entre as placas superior e inferior, o que sugere que eles suprimirão significativamente a conversa cruzada entre os qubits vizinhos, diz Wang. Este trabalho é complementar à pesquisa recente de uma equipe da Universidade de Columbia e da Raytheon .
No futuro, os pesquisadores querem usar esse método para construir muitos qubits em um chip para verificar se sua técnica reduz o cross-talk. Eles também querem melhorar o desempenho do qubit ajustando o processo de fabricação ou até mesmo construindo o qubit inteiro com materiais 2D.
“Agora abrimos um caminho para mostrar que você pode usar com segurança a quantidade de nitreto de boro hexagonal que desejar sem se preocupar muito com defeitos. Isso abre muitas oportunidades onde você pode fazer todos os tipos de heteroestruturas diferentes e combiná-las com um circuito de micro-ondas, e há muito mais espaço que você pode explorar. De certa forma, estamos dando luz verde às pessoas – você pode usar esse material da maneira que quiser sem se preocupar muito com a perda associada ao dielétrico”, diz Wang.
Esta pesquisa foi financiada, em parte, pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, a Fundação Nacional de Ciência e o Secretário Adjunto de Defesa para Pesquisa e Engenharia via MIT Lincoln Laboratory.
Consultado a: 28\01\2022
https://news.mit.edu/2022/tiny-materials-quibits-quantum-computing-0128
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