Espera-se que os computadores quânticos sejam muito importantes no desenvolvimento de materiais e medicamentos, bem como na segurança da informação. Qubits supercondutores são uma tecnologia importante porque podem ser facilmente controlados. A junção Josephson é uma parte importante desses qubits, o que os ajuda a operar, permitindo diferentes níveis de energia.
Os qubits Transmon são populares, mas sofrem de um problema chamado baixa anarmonicidade, que torna difícil conectar muitos qubits sem interferência. Por outro lado, os qubits de fluxo utilizam três junções Josephson e apresentam maior anarmonicidade, o que ajuda a evitar esse problema de interferência. No entanto, os qubits de fluxo requerem bobinas especiais para funcionar corretamente, podem criar ruído e exigir linhas de controle adicionais, dificultando a expansão da tecnologia.
O Instituto Nacional de Tecnologia da Informação e Comunicação (NICT), a NTT Corporation, a Universidade de Tohoku e o Sistema Nacional de Ensino Superior e Pesquisa Tokai da Universidade de Nagoya desenvolveram com sucesso um novo tipo de qubit de fluxo supercondutor que opera em um campo magnético zero. Este desenvolvimento poderia ajudar a melhorar o desempenho e a integração dos computadores quânticos.
O recém-desenvolvido qubit de fluxo supercondutor usa uma junção Josephson ferromagnética (denominada junção π). A nova junção π usa um tipo de junção Josephson que cria uma diferença de fase de 180 graus (π) sem a necessidade de campos magnéticos externos.
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Isso significa que um qubit pode operar de forma independente. Como resultado, espera-se reduzir o ruído externo, simplificar os circuitos e facilitar a conexão de vários qubits.
Neste estudo, os pesquisadores combinaram a tecnologia qubit supercondutora de nitreto do NICT, que usa nitreto de nióbio (NbN) em silício, com a tecnologia de dispositivo ferromagnético Josephson para criar um qubit de fluxo contendo uma junção π. Eles demonstraram com sucesso que este qubit de junção qubit pode funcionar bem em um campo magnético zero e testaram suas propriedades de junção.
Pesquisas anteriores da equipe do Prof. Alexey Ustinov, na Alemanha, alcançou um tempo de coerência de 4 nanossegundos para qubits de fase com diferentes tipos de acoplamento, mas teve dificuldade para demonstrar desempenho coerente para qubits de fluxo com junção π.
Neste novo estudo, os pesquisadores usaram níquel paládio (PdNi) em vez de cobre-níquel (CuNi) para criar uma junção π estável no eletrodo NbN. Eles também combinaram a tecnologia de junção NbN/AlN/NbN da NICT e o design avançado de qubits de fluxo da NTT em ressonadores de cavidade 3D.
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As medições confirmaram que o novo qubit de junção π funciona muito bem em campos magnéticos zero, atingindo um tempo de convergência de 1,45 microssegundos, 360 vezes melhor do que as classes anteriores de qubits com junções π. No entanto, qubits de fluxo convencionais sem junção π tiveram um longo tempo de relaxamento de energia de 16 microssegundos, sugerindo que a nova estrutura NbN/PdNi/NbN pode ter um impacto negativo na coerência quântica.
Esta conquista marca a primeira construção bem-sucedida de um qubit de fluxo que opera sem um campo magnético externo e tem um tempo de coerência de nível de microssegundos. Embora o desenvolvimento da coerência quântica ainda seja necessário, esta tecnologia é um passo importante para a miniaturização e integração de circuitos quânticos. Eliminar a necessidade de um campo magnético externo simplifica projetos, economiza energia e reduz custos.
Os autores observaram, “Olhando para o futuro, pretendemos melhorar o projeto do circuito e o processo de fabricação para aumentar o tempo de montagem. e melhorar a uniformidade das características dos dispositivos, visando a futura integração em grande escala. Nosso objetivo é desenvolver uma nova plataforma para hardware quântico que possa superar o desempenho dos qubits convencionais baseados em alumínio.”
“Ao melhorar os materiais e a estrutura da junção ferromagnética, esperamos desenvolver um qubit de fluxo de junção π com um longo tempo de acoplamento que possa operar em campo magnético zero. Tais avanços poderiam torná-lo uma parte importante de várias tecnologias quânticas, incluindo computadores quânticos.”
Referência do diário:
- Kim, S., Abdurakhimov, LV, Pham, D. et al. Qubit de fluxo supercondutor com junção π Josephson ferromagnética operando em campo magnético zero. Commun Mater 5, 216 (2024). DOI: 10.1038/s43246-024-00659-1
