Resumo interno:
- A ciência dos materiais é fundamental para o desenvolvimento da computação quântica, fornecendo insights que podem levar à estabilidade, controle e desempenho de qubits, através da compreensão das propriedades de materiais únicos para gerenciar o estado quântico.
- Pesquisadores do Argonne National Laboratory e da Northern Illinois University estão desenvolvendo a computação quântica usando neodímio para estabilizar os spins dos elétrons controlados pela luz em materiais de perovskita, melhorando potencialmente a coerência e a confiabilidade dos qubits.
- A pesquisa da Rice University revelou que os materiais da rede kagome, especialmente filmes finos de ferro-estanho, derivam suas propriedades magnéticas de elétrons localizados em vez de elétrons móveis, desafiando as teorias existentes e fornecendo novas oportunidades para aplicações de lógica quântica.
- Na Universidade de Sherbrooke, os cientistas desenvolveram uma estrutura teórica para resolver os problemas de leitura de qubit em sistemas quânticos supercondutores, o que pode levar a uma maior confiabilidade de leitura e redução da correção de erros em dispositivos quânticos.
Uma análise dos caminhos da computação quântica feita por importantes participantes da indústria revela uma tendência clara: muitos estão apostando na química e na ciência dos materiais como as primeiras áreas que podem mostrar os benefícios da computação quântica. Esta ênfase não é surpreendente; ao contrário de muitos campos onde a computação quântica é testada quanto à aceleração potencial em comparação com os métodos clássicos, estes estudos baseiam-se na mecânica quântica, o que os torna especialmente adequados para beneficiar da computação quântica. Contudo, a relação é mais do que apenas uma ajuda mútua – é inerentemente mútua. A ciência dos materiais tornou-se parte da informação da computação quântica por meio de novos insights que refinam o desenvolvimento de qubit e a confiabilidade da computação. Com a computação quântica dependendo de materiais que podem controlar com precisão os estados quânticos, os pesquisadores estão encontrando novas maneiras de contar com materiais exclusivos que melhoram o desempenho dos qubits.
Os giros são parcialmente controlados nas perovskitas para desenvolver um Qubit
Uma pesquisa recente do Argonne National Laboratory e da Northern Illinois University mostrou que elétrons movidos a luz orbitando materiais de perovskita, especificamente, iodeto de chumbo e metilamônio (MAPbI3), podem avançar a tecnologia de computação quântica. As perovskitas, materiais comumente usados em células solares, apresentam uma estrutura promissora para aplicações quânticas devido à sua capacidade de hospedar estados de spin estáveis. Em um computador quântico, o spin – uma propriedade fundamental de partículas como os elétrons – é importante porque pode representar estados quânticos, como “para cima” e “para baixo”, permitindo que os qubits armazenem informações em superposições.
Para prolongar a vida útil do exciton no MAPbI3, os pesquisadores introduziram o neodímio, um metal de terras raras com elétrons desemparelhados. De acordo com o físico de Argonne, Saw Wai Hla, “ao alterar a concentração de neodímio na concentração de excitons, podemos acabar usando o neodímio como uma espécie de sonda para os spins do exciton”, o que permite o emaranhamento quântico de longo prazo. Essa interação cria um estado de spin bloqueado, que conecta efetivamente os elétrons do exciton com os do neodímio, melhorando a estabilidade do material e permitindo o controle preciso dos estados dos qubits, o que pode levar a dispositivos quânticos mais confiáveis.
Redes Kagome: Explorando o Magnetismo Quântico para Computação Avançada
Como a cestaria se relaciona com a computação quântica? De mais maneiras do que o esperado. Uma descoberta recente de físicos da Rice University e colaboradores explora o comportamento magnético e eletrônico de materiais de rede kagome, especificamente filmes finos de ferro-estanho (FeSn). A pesquisa, publicada na Nature Communications, está diretamente relacionada a computadores supercondutores quânticos e supercondutores avançados, remodelando nossa compreensão de como o magnetismo e as interações eletrônicas funcionam nesses materiais avançados. As redes Kagome, construídas em um padrão único semelhante a uma rede que lembra cestas tecidas, são conhecidas por sua capacidade de suportar estados quânticos, como bandas planas topológicas – estados quânticos que mantêm a configuração eletrônica sem perder energia.
A pesquisa da equipe revela que as propriedades magnéticas do FeSn, na verdade, vêm de elétrons localizados e não dos elétrons móveis que se acredita impulsionarem a magnetização dos metais kagome. Isto desafia teorias de longa data e sugere uma relação complexa entre o magnetismo e o comportamento dos elétrons nesses materiais. Como comentou Ming Yi, professor associado da Rice: “Espera-se que este trabalho estimule mais pesquisas e teorias sobre as propriedades emergentes dos materiais quânticos, aprofundando nossa compreensão desses materiais complexos e suas aplicações potenciais no mundo real.”
As implicações desta pesquisa vão além do FeSn, já que a compreensão das bandas planas e da afinidade eletrônica dos ímãs Kagome pode influenciar tecnologias futuras em áreas como supercondutividade de alta temperatura e computação quântica topológica. Ao examinar como os ímãs e as bandas planas interagem para produzir medições quânticas, as descobertas da equipe apontam para aplicações potenciais em portas lógicas quânticas e outros aspectos das arquiteturas de computação quântica.
Quiralidade em Nanomateriais: Uma Nova Janela sobre Propriedades Quânticas
A quiralidade, uma propriedade que torna os objetos menos poderosos do que seus equivalentes no espelho, é frequentemente observada em moléculas orgânicas, mas está ganhando atenção em nanomateriais para aplicações quânticas. Pesquisadores da Universidade de Camerino, da Universidade da África do Sul e da Universidade do Texas em Austin destacaram recentemente que os nanomateriais quirais exibem transporte de elétrons polarizados por spin, o que poderia ter implicações para a spintrônica e as tecnologias de informação quântica. Esta seleção de spin induzida pode ser usada para controlar estados de spin quânticos com alta precisão.
Por exemplo, dispositivos spintrônicos – componentes usados na computação quântica que dependem de rotação em vez de carga – podem usar nanoestruturas quirais para manter a coerência por longos períodos de tempo, abordando um desafio comum na computação quântica.
Enfrentando os desafios da leitura de Qubit com materiais supercondutores
Embora os estudos dos materiais discutidos anteriormente tenham se concentrado principalmente no aprofundamento da compreensão das propriedades físicas, os recentes desenvolvimentos teóricos de cientistas da Universidade de Sherbrooke adotaram uma abordagem mais orientada para a aplicação, visando o desafio contínuo dos estudos de qubits supercondutores. Qubits supercondutores, amplamente apreciados por sua alta eficiência, têm lutado para uma leitura precisa devido a um fenômeno em que os qubits podem escapar de seus estados quânticos pretendidos durante a medição. Esse problema, de acordo com o estudo, surge quando os sinais de micro-ondas usados no estudo excitam inadvertidamente os qubits em níveis altos e indesejados, um processo chamado “ionização transmon”.
A equipe desenvolveu uma estrutura teórica abrangente para explicar e prever essa ionização, revelando que qubits em sistemas baseados em transmons podem ser empurrados para estados não intencionais devido a ressonâncias multifotônicas dentro dos níveis de energia do sistema. De acordo com a pesquisa, essas ressonâncias multifotônicas aparecem em certos limites do número de fótons, o que inicia uma transição de estado que perturba a natureza não destrutiva esperada das medições de qubit em uma configuração de circuito eletrodinâmico quântico. Ao identificar essas limitações, os pesquisadores forneceram uma base para ajustar os parâmetros de aprendizagem, o que pode melhorar a confiabilidade das medições em grandes qubits e potencialmente reduzir a dependência de extensos protocolos de correção de erros.
Desenvolvimento Colaborativo: Materiais como Catalisador
A emergência da revelação científica é muitas vezes episódica – a repetição numa área aumenta gradualmente o impulso para a frente noutra, numa simbiose contínua. Embora a computação quântica para a ciência dos materiais esteja a ser ativamente explorada, a ciência dos materiais continua a ser o catalisador necessário para informar o desenvolvimento da computação quântica. Da manipulação de estados de spin em perovskitas ao desenvolvimento de qubits estáveis em redes Kagome, cada descoberta esclarece o número de estruturas físicas projetadas para aplicações quânticas.
