Nova plataforma revolucionária Qubit pode transformar a computação quântica

Uma ilustração da plataforma qubit feita de um único elétron em neon sólido. Os pesquisadores congelaram o gás neon em um sólido a temperaturas muito baixas, pulverizaram elétrons de uma lâmpada no sólido e prenderam um único elétron lá para criar um qubit. Crédito: Cortesia de Dafei Jin/Laboratório Nacional de Argonne

O dispositivo digital que você está usando para ver este artigo está sem dúvida usando o bit, que pode ser 0 ou 1, como sua unidade básica de informação. No entanto, cientistas de todo o mundo estão correndo para desenvolver um novo tipo de computador baseado no uso de bits quânticos, ou qubits, que podem ser simultaneamente 0 e 1 e um dia resolver problemas complexos além de qualquer supercomputador clássico.

Uma equipe de pesquisa liderada por cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), em estreita colaboração com o Professor Associado de Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia da FAMU-FSU, Wei Guo, anunciou a criação de uma nova plataforma qubit que mostra grande promessa para ser desenvolvido em futuros computadores quânticos. Seus trabalhos são publicados na revista Natureza.

“Os computadores quânticos podem ser uma ferramenta revolucionária para realizar cálculos que são praticamente impossíveis para computadores clássicos, mas ainda há trabalho a fazer para torná-los realidade”, disse Guo, coautor do artigo. “Com esta pesquisa, achamos que temos um avanço que percorre um longo caminho para criar qubits que ajudam a realizar o potencial dessa tecnologia.”

A equipe criou seu qubit congelando gás neon em um sólido a temperaturas muito baixas, pulverizando elétrons de uma lâmpada no sólido e prendendo um único elétron lá.

FAMU-FSU Faculdade de Engenharia Professor Associado de Engenharia Mecânica Wei Guo. Crédito: Universidade Estadual da Flórida

Embora existam muitas opções de tipos de qubit, a equipe escolheu o mais simples – um único elétron. Aquecer um filamento de luz simples, como o que você pode encontrar em um brinquedo de criança, pode facilmente disparar um suprimento ilimitado de elétrons.

Uma qualidade importante para os qubits é sua capacidade de permanecer em um estado 0 ou 1 simultâneo por um longo tempo, conhecido como “tempo de coerência”. Esse tempo é limitado e o limite é determinado pela maneira como os qubits interagem com seu ambiente. Defeitos no sistema qubit podem reduzir significativamente o tempo de coerência.

Por esse motivo, a equipe optou por prender um elétron em uma superfície de neon sólido ultrapura no vácuo. O néon é um dos seis elementos inertes, o que significa que não reage com outros elementos.

“Por causa dessa inércia, o neon sólido pode servir como o sólido mais limpo possível no vácuo para hospedar e proteger qualquer qubit de ser interrompido”, disse Dafei Jin, cientista de Argonne e investigador principal do projeto.

Ao usar um ressonador supercondutor em escala de chip – como um forno de micro-ondas em miniatura – a equipe conseguiu manipular os elétrons presos, permitindo que eles lessem e armazenassem informações do qubit, tornando-o útil para uso em futuros computadores quânticos.

Pesquisas anteriores usaram hélio líquido como meio de retenção de elétrons. Esse material era fácil de fazer sem defeitos, mas as vibrações da superfície livre de líquido poderiam facilmente perturbar o estado do elétron e, portanto, comprometer o desempenho do qubit.

O neon sólido oferece um material com poucos defeitos que não vibra como o hélio líquido. Depois de construir sua plataforma, a equipe realizou operações de qubit em tempo real usando fótons de micro-ondas em um elétron preso e caracterizou suas propriedades quânticas. Esses testes demonstraram que o neon sólido forneceu um ambiente robusto para o elétron com ruído elétrico muito baixo para perturbá-lo. Mais importante ainda, o qubit atingiu tempos de coerência no estado quântico competitivo com outros qubits de última geração.

A simplicidade da plataforma qubit também deve se prestar à fabricação simples e de baixo custo, disse Jin.

A promessa de[{” attribute=””>quantum computing lies in the ability of this next-generation technology to calculate certain problems much faster than classical computers. Researchers aim to combine long coherence times with the ability of multiple qubits to link together — known as entanglement. Quantum computers thereby could find the answers to problems that would take a classical computer many years to resolve.

Consider a problem where researchers want to find the lowest energy configuration of a protein made of many amino acids. These amino acids can fold in trillions of ways that no classical computer has the memory to handle. With quantum computing, one can use entangled qubits to create a superposition of all folding configurations — providing the ability to check all possible answers at the same time and solve the problem more efficiently.

“Researchers would just need to do one calculation, instead of trying trillions of possible configurations,” Guo said.

For more on this research, see New Qubit Breakthrough Could Revolutionize Quantum Computing.

Reference: “Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform” by Xianjing Zhou, Gerwin Koolstra, Xufeng Zhang, Ge Yang, Xu Han, Brennan Dizdar, Xinhao Li, Ralu Divan, Wei Guo, Kater W. Murch, David I. Schuster and Dafei Jin, 4 May 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04539-x

The team published its findings in a Nature article titled “Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform.” In addition to Jin, Argonne contributors include first author Xianjing Zhou, Xufeng Zhang, Xu Han, Xinhao Li, and Ralu Divan. Contributors from the University of Chicago were David Schuster and Brennan Dizdar. Other co-authors were Kater Murch of Washington University in St. Louis, Gerwin Koolstra of Lawrence Berkeley National Laboratory, and Ge Yang of Massachusetts Institute of Technology.

Funding for the Argonne research primarily came from the DOE Office of Basic Energy Sciences, Argonne’s Laboratory Directed Research and Development program and the Julian Schwinger Foundation for Physics Research. Guo is supported by the National Science Foundation and the National High Magnetic Field Laboratory.