Los investigadores del MIT y de otros lugares han registrado, por primera vez, la "coherencia temporal" de un qubit de grafeno, es decir, cuánto tiempo puede mantener un estado especial que le permita representar dos estados lógicos simultáneamente. La demostración, que utilizóUn nuevo tipo de qubit basado en grafeno representa un paso crítico hacia la computación cuántica práctica, dicen los investigadores.
Los bits cuánticos superconductores simplemente, qubits son átomos artificiales que utilizan varios métodos para producir bits de información cuántica, el componente fundamental de las computadoras cuánticas. Similar a los circuitos binarios tradicionales en las computadoras, los qubits pueden mantener uno de los dos estados correspondientes al clásicobits binarios, un 0 o 1. Pero estos qubits también pueden ser una superposición de ambos estados simultáneamente, lo que podría permitir que las computadoras cuánticas resuelvan problemas complejos que son prácticamente imposibles para las computadoras tradicionales.
La cantidad de tiempo que estos qubits permanecen en este estado de superposición se conoce como su "tiempo de coherencia". Cuanto más largo sea el tiempo de coherencia, mayor será la capacidad del qubit para calcular problemas complejos.
Recientemente, los investigadores han estado incorporando materiales basados en grafeno en dispositivos de computación cuántica superconductores, que prometen una computación más rápida y eficiente, entre otras ventajas. Hasta ahora, sin embargo, no ha habido coherencia registrada para estos qubits avanzados, por lo que no se sabe sison factibles para la computación cuántica práctica.
En un artículo publicado hoy en Nanotecnología de la naturaleza , los investigadores demuestran, por primera vez, un qubit coherente hecho de grafeno y materiales exóticos. Estos materiales permiten que el qubit cambie de estado a través del voltaje, al igual que los transistores en los chips de computadora tradicionales de hoy, y a diferencia de la mayoría de los otros tipos de superconductoresqubits. Además, los investigadores pusieron un número a esa coherencia, marcándolo a 55 nanosegundos, antes de que el qubit regrese a su estado fundamental.
El trabajo combinó la experiencia de los coautores William D. Oliver, profesor de física de la práctica y Lincoln Laboratory Fellow cuyo trabajo se centra en los sistemas de computación cuántica, y Pablo Jarillo-Herrero, el profesor de física Cecil e Ida Green en el MIT queinvestiga innovaciones en grafeno.
"Nuestra motivación es utilizar las propiedades únicas del grafeno para mejorar el rendimiento de los qubits superconductores", dice el primer autor Joel I-Jan Wang, un postdoc en el grupo de Oliver en el Laboratorio de Investigación de Electrónica RLE en el MIT ".En este trabajo, mostramos por primera vez que un qubit superconductor hecho de grafeno es temporalmente cuántico coherente, un requisito clave para construir circuitos cuánticos más sofisticados. Nuestro es el primer dispositivo que muestra un tiempo de coherencia medible, una métrica primaria de un qubit- eso es suficiente para que los humanos lo controlen "
Hay otros 14 coautores, incluido Daniel Rodan-Legrain, un estudiante graduado en el grupo de Jarillo-Herrero que contribuyó igualmente al trabajo con Wang; investigadores del MIT de RLE, el Departamento de Física, el Departamento de Ingeniería Eléctrica y ComputaciónScience y Lincoln Laboratory; e investigadores del Laboratorio de Sólidos Irradiados en la École Polytechnique y el Laboratorio de Materiales Avanzados del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales.
Un sándwich de grafeno prístino
Los qubits superconductores se basan en una estructura conocida como "unión de Josephson", donde un aislante generalmente un óxido se intercala entre dos materiales superconductores generalmente aluminio. En los diseños de qubit sintonizables tradicionales, un circuito de corriente crea un pequeño campo magnético quehace que los electrones salten de un lado a otro entre los materiales superconductores, haciendo que el qubit cambie de estado.
Pero esta corriente que fluye consume mucha energía y causa otros problemas. Recientemente, algunos grupos de investigación han reemplazado el aislante con grafeno, una capa de carbono con un espesor de átomo que es económico para producir en masa y tiene propiedades únicas que pueden permitir una mayor rapidez,computación más eficiente.
Para fabricar su qubit, los investigadores recurrieron a una clase de materiales, llamados materiales de van der Waals: materiales atómicos delgados que se pueden apilar como Legos uno encima del otro, con poca o ninguna resistencia o daño. Estos materiales puedense apilan de formas específicas para crear varios sistemas electrónicos. A pesar de su calidad de superficie casi perfecta, solo unos pocos grupos de investigación han aplicado materiales de van der Waals a circuitos cuánticos, y ninguno ha demostrado previamente que exhiba coherencia temporal.
Para su unión Josephson, los investigadores colocaron una lámina de grafeno entre las dos capas de un aislante de van der Waals llamado nitruro de boro hexagonal hBN. Es importante destacar que el grafeno toma la superconductividad de los materiales superconductores que toca. La camioneta seleccionadaLos materiales de Der Waals pueden fabricarse para introducir electrones usando voltaje, en lugar del campo magnético tradicional basado en la corriente. Por lo tanto, también puede hacerlo el grafeno, y también todo el qubit.
Cuando se aplica voltaje al qubit, los electrones rebotan de un lado a otro entre dos cables superconductores conectados por grafeno, cambiando el qubit de tierra 0 a estado excitado o de superposición 1. La capa inferior de hBN sirve como sustrato para alojarel grafeno. La capa superior de hBN encapsula el grafeno, protegiéndolo de cualquier contaminación. Debido a que los materiales son tan prístinos, los electrones que viajan nunca interactúan con defectos. Esto representa el "transporte balístico" ideal para qubits, donde la mayoría de los electrones se muevenun superconductor conduce a otro sin dispersarse de impurezas, haciendo un cambio rápido y preciso de estados.
Cómo ayuda el voltaje
El trabajo puede ayudar a abordar el "problema de escalado de qubit", dice Wang. Actualmente, solo unos 1,000 qubits pueden caber en un solo chip. Tener qubits controlados por voltaje será especialmente importante ya que millones de qubits comienzan a agruparse en un solo chip"Sin control de voltaje, también necesitará miles o millones de circuitos de corriente, y eso ocupa mucho espacio y conduce a la disipación de energía", dice.
Además, el control de voltaje significa una mayor eficiencia y una focalización más localizada y precisa de qubits individuales en un chip, sin "diálogo cruzado". Eso sucede cuando un poco del campo magnético creado por la corriente interfiere con un qubit que no está apuntando, causando problemas de cálculo.
Por ahora, el qubit de los investigadores tiene una breve vida útil. Como referencia, los qubits superconductores convencionales que prometen una aplicación práctica han documentado tiempos de coherencia de unas pocas decenas de microsegundos, unos cientos de veces más que el qubit de los investigadores.
Pero los investigadores ya están abordando varios problemas que causan esta corta vida útil, la mayoría de los cuales requieren modificaciones estructurales. También están utilizando su nuevo método de prueba de coherencia para investigar más a fondo cómo los electrones se mueven balísticamente alrededor de los qubits, con el objetivo de extender elcoherencia de qubits en general.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Rob Matheson. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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