Qubit de nióbio supercondutor diminui erros dos computadores quânticos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/09/2021

(a) Micrografia óptica do qubit supercondutor de nitreto de nióbio. (b) Micrografia eletrônica e visão em corte transversal do qubit. (c) Micrografia eletrônica de transmissão do dispositivo completo.
[Imagem: NICT/Nagoya University]

Ruídos

Pesquisadores japoneses criaram um novo tipo de qubit supercondutor - o tipo de bit quântico mais usado hoje - que é muito menos imune a ruídos do que aqueles que equipam os primeiros protótipos de computadores quânticos.

Todo o poderio dos qubits depende de suas propriedades quânticas, como o entrelaçamento e a superposição. Por mais poderosos que esses fenômenos sejam, porém, qualquer interação com o ambiente pode destruí-los, o que significa que o qubit perde todos os seus dados.

Essa interação indesejada com o ambiente é conhecida como "ruído" e, em se tratando de componentes que são átomos, elétrons ou fótons, existem sempre outros átomos, elétrons ou fótons no ambiente tentando interagir com eles. É por isso que os processadores quânticos funcionam em ambientes criogênicos, para reduzir ao mínimo a energia de tudo, minimizando o risco de perda dos dados.

Acontece que o próprio qubit supercondutor tem fontes intrínsecas de ruído.

Agora, Sunmi Kim e seus colegas desenvolveram um qubit supercondutor de nióbio que é muito mais estável do que qualquer outro já construído porque ele dispensa outros metais e óxidos metálicos para conduzir corrente. Até hoje vinham sendo usados para isso o alumínio e o óxido de alumínio, mas eles são as maiores fontes produtoras de ruído mesmo quando o material é levado até próximo do zero absoluto.

Esquema e micrografia do qubit de nióbio.
[Imagem: Sunmi Kim et al. - 10.1038/s43246-021-00204-4]

Qubit de nióbio

No novo qubit, todos os elementos usados são nitretos (compostos contendo nitrogênio). O elemento principal é o nitreto de nióbio (NbN), que tem uma temperatura de transição supercondutora de 16 K (-257 ºC), enquanto a camada isolante é feita com nitreto de alumínio (AlN), ambos crescidos epitaxialmente sobre um substrato de silício.

Sem quaisquer óxidos amorfos, que são a principal fonte de ruído, o novo qubit apresentou uma estabilidade incrivelmente longa, com um tempo de relaxamento de energia (T1) de 16 microssegundos e um tempo de relaxamento de fase (T2) de 22 microssegundos, em valores médios. Em comparação com os qubits convencionais que usam óxido, isso é cerca de 32 vezes superior no caso de T1 e cerca de 44 vezes no caso de T2.

"É a primeira vez no mundo que alguém conseguiu observar tempos de coerência na casa das dezenas de microssegundos em qubits supercondutores de nitreto, reduzindo a perda dielétrica por meio do crescimento epitaxial deles em um substrato de Si. O qubit supercondutor desse nitreto ainda está nos estágios iniciais de desenvolvimento, de forma que acreditamos que seja possível melhorar ainda mais o tempo de coerência otimizando o processo de design e fabricação do qubit," disse o professor Kouichi Semba, do Instituto Nacional de Tecnologia da Informação e Comunicação, no Japão.

Mais tópicos