Plataforma de computação de três qubits é feita de spins de elétrons – Physics World

Plataforma de computação de três qubits é feita de spins de elétrons – Physics World

Carimbo de data / hora: 28 de outubro de 2023 10h38

Qubits de spin de elétrons
Plataforma de múltiplos qubits: neste diagrama, uma ponta STM revestida com ferro (parte superior) opera o qubit de rotação do sensor. Também são mostrados os qubits de spin remoto, que são alinhados pelos campos magnéticos dos átomos de ferro próximos. (Cortesia: Instituto de Ciências Básicas)

Uma plataforma de computação quântica capaz de operar simultaneamente vários bits quânticos baseados em spin (qubits) foi criada por pesquisadores na Coreia do Sul. Projetado por Yujeong Bae, Soo Hyon Phark, André Henrique e colegas do Instituto de Ciências Básicas de Seul, o sistema é montado átomo por átomo usando um microscópio de tunelamento de varredura (STM).

Embora os computadores quânticos do futuro devam ser capazes de superar os computadores convencionais em determinadas tarefas, os processadores quânticos nascentes de hoje ainda são muito pequenos e barulhentos para fazer cálculos práticos. Muito mais precisa ser feito para criar plataformas qubit viáveis ​​que possam reter informações por tempo suficiente para que os computadores quânticos sejam viáveis.

Qubits já foram desenvolvidos usando diversas tecnologias diferentes, incluindo circuitos de supercomputação e íons aprisionados. Alguns físicos também estão interessados ​​em criar qubits usando os spins de elétrons individuais – mas esses qubits não são tão avançados quanto alguns de seus equivalentes. No entanto, isso não significa que os qubits baseados em spin estejam fora de operação.

“Neste ponto, todas as plataformas existentes para computação quântica apresentam grandes desvantagens, por isso é imperativo investigar novas abordagens”, explica Heinrich.

Montagem precisa

Para criar um processador baseado em spin viável, os qubits devem ser montados com precisão, acoplados de forma confiável e operados de maneira quântica coerente, tudo na mesma plataforma. Isto é algo que até agora escapou aos investigadores – de acordo com a equipa sediada em Seul.

Os pesquisadores criaram sua plataforma multi-qubit com a ajuda de um STM, que é uma ferramenta poderosa para gerar imagens e manipular matéria em escalas atômicas. Quando a ponta condutora de um STM é trazida muito perto da superfície da amostra, os elétrons são capazes de criar um túnel mecanicamente quântico entre a ponta e a superfície da amostra.

Como a probabilidade de tunelamento depende fortemente da distância entre a ponta e a superfície, um STM pode mapear a topografia em nanoescala da amostra medindo a corrente desses elétrons de tunelamento. Átomos individuais na superfície também podem ser manipulados e montados empurrando-os pelas forças em nanoescala aplicadas pela ponta.

Usando esses recursos, a equipe “demonstrou a primeira plataforma qubit com precisão em escala atômica”, de acordo com Heinrich. “É baseado em spins de elétrons em superfícies, que podem ser colocadas a distâncias atomicamente precisas umas das outras.”

Qubit do sensor

Usando STM, os pesquisadores montaram seu sistema na superfície imaculada de um filme de bicamada de óxido de magnésio. O sistema inclui um qubit “sensor”, que é um átomo de titânio de spin 1/2 localizado diretamente abaixo da ponta do STM. A ponta é revestida com átomos de ferro, o que significa que pode ser utilizada para aplicar um campo magnético local (ver figura).

Em cada lado da ponta há um par de qubits “remotos” – também átomos de titânio spin-1/2. Eles são colocados a distâncias precisas do qubit do sensor, fora da região onde pode ocorrer o tunelamento de elétrons entre os átomos.

Para controlar os qubits remotos simultaneamente com o qubit do sensor, a equipe criou um gradiente de campo magnético colocando átomos de ferro próximos. Os átomos de ferro se comportam como ímãs de átomo único porque seus tempos de relaxamento de spin excedem em muito os tempos de operação de qubits individuais.

Dessa forma, cada um dos átomos de ferro atua como um substituto para a ponta do STM, fornecendo um campo magnético local estático para alinhar os spins de cada qubit remoto. As transições entre os estados de spin dos qubits são feitas usando a ponta STM para aplicar pulsos de radiofrequência ao sistema – uma técnica chamada ressonância de spin eletrônico.

Endereçado e manipulado

A equipe inicializou seus qubits resfriando-os a 0.4 K e, em seguida, aplicando um campo magnético externo para colocá-los no mesmo estado de spin e acoplando-os. Posteriormente, o estado do qubit do sensor dependia de forma confiável dos estados de ambos os qubits remotos, mas ainda poderia ser endereçado e manipulado individualmente pela ponta do STM.

O resultado geral foi uma plataforma qubit inteiramente nova que permitiu que vários qubits fossem operados simultaneamente. “Nosso estudo alcançou portas de qubit único, dois qubit e três qubit com boa coerência quântica”, diz Heinrich.

Ele acrescenta que “a plataforma tem seus prós e contras. No lado positivo, é atomicamente preciso e, portanto, pode ser facilmente duplicado. Quanto aos contras, a coerência quântica é boa, mas precisa ser melhorada ainda mais.”

Se estes desafios puderem ser superados, Heinrich e seus colegas veem um futuro brilhante para o seu sistema.

“Acreditamos que esta abordagem pode ser escalada com relativa facilidade para dezenas de qubits de elétrons”, diz Heinrich. “Esses spins de elétrons também podem ser acoplados de forma controlada a spins nucleares, o que pode permitir a correção eficiente de erros quânticos e aumentar o espaço de Hilbert disponível para operações quânticas. Acabamos de arranhar a superfície!”

A pesquisa é descrita em Ciência.

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