Temps de vida d'un qubit en el grafè.

Per primera vegada, investigadors del MIT, han registrat la "coherència temporal" d'un qubit de grafè, el que significa quant de temps pot mantenir un estat especial que li permet representar dos estats lògics simultàniament. 

La demostració va utilitzar un nou tipus de qubit basat en grafè de manera que,  representa un pas decissiu per a la computació quàntica pràctica.

Font: Google

Els bits  superconductors quàntics (simplement, qubits) són àtoms artificials que utilitzen diversos mètodes per produir bits quàntics d'informació, que correspona al component fonamental de les computadores quàntiques. Similar als circuits binaris tradicionals dels ordinadors, els qubits poden mantenir un dels dos estats corresponents als bits binaris clàssics, un 0 o 1. Però aquests qubits també poden ser una superposició d'ambdós estats simultàniament, el que podria permetre a les computadores quàntiques solucionar problemes complexos que són pràcticament impossibles per als ordinadors tradicionals.

La quantitat de temps que aquests qubits romanen en aquest estat de superposició es coneix com el seu "temps de coherència". Com més llarg sigui el temps de coherència, major serà la capacitat del qubit per calcular problemes complexos.

Font: Techexplorist.com

Recentment, els investigadors han anat incorporant materials basats en grafè en els dispositius informàtics quàntics superconductors, que prometen una computació més ràpida i eficient, entre altres avantatges. Fins ara, però, no hi ha hagut una coherència registrada per aquests avançants qubits, de manera que no es sab si són factibles per a la computació quàntica pràctica.

En un recent article publicat al  Nature Nanotechnology, els investigadors demostren, per primera vegada, un qubit coherent a partir de grafè i materials 'exòtics'. Aquests materials permeten que el qubit canviï d'estats a través del voltatge, igual que ho fan els transistors en les tradicionals xips d'ordinador d'avui i, a diferència de la majoria d'altres tipus de qubits superconductors. D'altra banda, els investigadors van posar un nombre a aquesta coherència, fixant-lo a 55 nanosegons, abans que el qubit torni al seu estat fonamental.

Font: Google

El treball ha combinat l'experiència dels coautors William D. Oliver, un professor de física pràctica i el Lincoln Laboratory Fellow, el treball del qual se centra en els sistemes de computació quàntica, i Pablo Jarillo-Herrero, Cecil i Ida Green Professor de Física del MIT que investiga innovacions en el grafè.

Aquesta motivació,  utilitza les propietats úniques del grafè per millorar el rendiment dels qubits superconductors. En aquest treball, es mostra per primera vegada que un qubit superconductor procedent del grafè és temporalment coherent quanticament, un requisit clau per a la construcció de circuits quàntics més sofisticats. Aquest, és el primer dispositiu que mostra un temps de coherència mesurable -una mètrica principal d'un qubit: això és prou llarg per a que els humans ho pugiun controlar"

Un 'entrepà' de grafè pur

Els qubits superconductors es basen en una estructura anomenada "unió Josephson", on un aïllant (generalment un òxid) està intercalat entre dos materials superconductors (generalment d'alumini). En els dissenys dels qubits tradicionals, un bucle de corrent crea un petit camp magnètic que fa que els electrons vagin entre els materials superconductors, fent que el qubit canviï d'estats.

Font: Google

Però aquest corrent que flueix consumeix molta energia i provoca altres problemes. Recentment, alguns grups de recerca han substituït l'aïllant amb el grafè, una capa  amb fruix atòmic de carboni la qual,  és econòmica per produir en grans quantiats i té propietats úniques que poden permetre una computació més ràpida i eficient.

Per fabricar aquest qubit, els investigadors es van dirigir cap a una classe de materials, anomenats materials de van der Waals, materials atòmics prims que poden apilar-se com Legos, amb poca o cap resistència. Aquests materials es poden apilar de manera específica per crear diversos sistemes electrònics. Tot i la seva qualitat de superfície gairebé impecable, només alguns grups de recerca han aplicat els materials de van der Waals als circuits quàntics, i cap d'ells ha demostrat que exhibeix una coherència temporal.

Font: Google

Per a la unió de Josephson, els investigadors van embolicar una fulla de grafè entre les dues capes d'un aïllant de van der Waals anomenat nitruro hexagonal de bor (hBN). És important destacar que el grafè assumeix la superconductivitat dels materials superconductors que toca. Els materials seleccionats de van der Waals, es poden fer servir electrons al voltant d'una tensió, en comptes del camp magnètic basat en corrent tradicional. Per tant, també ho pot fer el grafè, de manera que, pot ser un qubit complet.

Quan la tensió s'aplica al qubit, els electrons reboten d'un costat a un altre entre dos conductors superconductors connectats per un grafè, canviant el qubit des del  (0) fins a l'estat excitat o superposat (1). La capa inferior de hBN serveix com a substrat per allotjar el grafè. La capa superior de hBN encapsula el grafè , protegint-lo de qualsevol contaminació. Com que els materials són tan varis, els electrons que viatgen mai interactuen. Això representa el "transport balístic" ideal per als qubits, on la majoria d'electrons es mouen d'un conducte superconductor cap a un altre sense dispersar-se amb impureses, fent un canvi ràpid i precís dels estats.

Com ajuda la tensió

Aquest treball pot ajudar a afrontar el "problema d'escalada" del qubit. Actualment, només uns 1.000 qubits poden cabre en un sol xip. Tenir qubits controlats per voltatge serà especialment important ja que poden ser amuntegats milions de qubits en un sol xip. Sense control de tensió, també caldria milers o milions de circuits actuals, i això ocupa molt espai i provoca moltes pèdues en dissipació d'energia.

Font: Google

A més, el control de tensió suposa una major eficiència i una orientació més localitzada i precisa dels qubits individuals en un xip, sense "conversions creuades. Això passa quan una part del camp magnètic creat pel corrent interfereix amb un qubit que no s'orienta, provocant problemes de còmput.

Per ara, aquest  qubit té una breu vida. Com a referència, els qubits superconductors convencionals que tenen potencial per ser aplicacats de forma pràctica, tenen temps de coherència documentats d'unes poques desenes de microsegons, uns pocs centenars de vegades més grans que els qubit dels investigadors.

Però els investigadors ja estan fent front a diversos problemes que provoquen aquesta curta vida, la majoria dels quals requereixen modificacions estructurals. També estan utilitzant el seu nou mètode d'assaig de la coherència, per investigar més sobre com els electrons es mouen de manera balística al voltant dels qubits, amb l'objectiu d'ampliar la coherència dels qubits en general.

 Font: Massachusetts Institute of Technology