Coherent oscillations in weakly anharmonic NbSe2 qubit

La búsqueda de la construcción de máquinas que piensen y calculen de formas imposibles para las computadoras actuales depende de una unidad de información diminuta y frágil llamada cúbit. A diferencia de los bits en una computadora estándar que son cero o uno, un cúbit puede existir en un delicado estado de ambos a la vez, pero solo si se mantiene perfectamente aislado del mundo ruidoso y caótico que lo rodea. Para lograr esto, los científicos suelen utilizar circuitos superconductores, que son bucles eléctricos que transportan corriente sin ninguna resistencia, pero solo cuando se enfrían a temperaturas cercanas al cero absoluto. El corazón de estos circuitos es una unión especial que actúa como un guardián, permitiendo que el cúbit se comporte como un oscilador cuántico. Durante años, los investigadores han construido estas uniones utilizando aluminio, un material con un proceso de fabricación bien conocido. Sin embargo, el aluminio tiene límites; es propenso a defectos microscópicos y lucha por funcionar en campos magnéticos fuertes, lo que impide que los científicos utilicen estas poderosas herramientas cuánticas para ciertos tipos de trabajo de detección cósmica, como la búsqueda de partículas invisibles que podrían conformar la materia oscura.

Para superar estas barreras, un equipo de investigadores ha recurrido a una clase diferente de materiales conocidos como sólidos de van der Waals. Imagine estos como pilas de hojas ultra delgadas, como un mazo de cartas, donde las capas pueden separarse y apilarse de nuevas maneras con precisión atómica. Estos materiales ofrecen una estructura interna más limpia y perfecta que el aluminio, lo que potencialmente protege al cúbit de los defectos que causan que pierda su estado cuántico. Si bien los científicos ya han logrado fabricar cúbits utilizando grafeno, una sola capa de carbono, aún no han tenido éxito en la creación de un cúbit funcional a partir de otros candidatos prometedores de esta familia. En un nuevo estudio, los investigadores han construido y probado con éxito un cúbit utilizando diselenuro de niobio, un material que no solo es un superconductor, sino también notablemente resistente a los campos magnéticos. Este logro marca la primera vez que se fabrica un cúbit con este material específico, abriendo la puerta a dispositivos cuánticos más robustos que podrían operar en entornos donde el aluminio fallaría.

Los investigadores construyeron su dispositivo tomando dos diminutas escamas de diselenuro de niobio, cada una de solo unos diez a quince nanómetros de espesor, y superponiéndolas cuidadosamente para crear una unión donde las dos capas se encuentran. Colocaron esta delicada unión dentro de una caja hueca de aluminio, que actúa como un resonador para ayudar a controlar y leer el estado del cúbit. Para asegurar que la unión funcionara correctamente, la conectaron a grandes almohadillas de aluminio y rodearon todo el montaje con filtros para bloquear el calor y la radiación estrayentes. El experimento tuvo lugar en un laboratorio especializado donde la temperatura se enfrió a aproximadamente veinte milikelvin, una fracción de grado por encima del cero absoluto, para asegurar que el material permaneciera superconductor. Al enviar pulsos de microondas hacia la caja, el equipo pudo sondear el comportamiento de la unión y ver si actuaba como un oscilador cuántico.

Lo que encontraron fue un dispositivo que se comportaba exactamente como debería un oscilador débilmente anharmónico, lo que significa que podía retener información cuántica mientras resistía el ruido que usualmente la destruye. Cuando los investigadores aumentaron la potencia de las señales enviadas al dispositivo, la resonancia de la cavidad se desplazó de una manera que indicaba que el material se estaba comportando como un oscilador de "ablandamiento", un tipo específico de comportamiento no lineal. Sorprendentemente, el dispositivo se mantuvo estable incluso cuando los investigadores introdujeron una cantidad significativa de ruido térmico, equivalente a cinco o diez fotones adicionales de energía de calor dentro de la cavidad. Este nivel de robustez es muy superior a lo visto en otros cúbits fabricados con materiales similares de este tipo. Además, el equipo demostró que, al ajustar la potencia de la señal de entrada, podían cambiar el comportamiento del oscilador de ablandamiento a "endurecimiento", cambiando efectivamente el signo de su no linealidad. Esta capacidad de sintonizar las propiedades fundamentales del dispositivo sugiere un alto grado de control sobre el sistema cuántico.

La prueba más crítica para cualquier cúbit es cuánto tiempo puede mantener su estado cuántico antes de perder la coherencia, una propiedad medida por un valor llamado tiempo de relajación. En este experimento, el cúbit de diselenuro de niobio mantuvo su estado durante 6.5 microsegundos, una duración que es aproximadamente cien veces más larga que los mejores resultados alcanzados previamente con cúbits basados en grafeno. Esta vida útil extendida se debe probablemente a la alta calidad cristalina del diselenuro de niobio, que minimiza los defectos internos que usualmente interrumpen los estados cuánticos, combinado con la capacidad del material para soportar corrientes más altas. El equipo también observó oscilaciones rítmicas claras en el estado del cúbit, conocidas como oscilaciones de Rabi, lo que confirmó que el dispositivo podía manipularse con precisión. Aunque no pudieron medir el tiempo de decoherencia completo debido a la longitud de los pulsos de control requeridos, el tiempo de relajación por sí solo representa un salto masivo para esta clase de materiales.

Este trabajo sirve como una poderosa demostración de que los materiales de van der Waals pueden integrarse con éxito en las tecnologías cuánticas, ofreciendo un camino hacia dispositivos que sean más duraderos y versátiles que los sistemas actuales basados en aluminio. La capacidad del diselenuro de niobio para funcionar en campos magnéticos fuertes es particularmente significativa, ya que sugiere que estos cúbits podrían eventualmente utilizarse en experimentos para detectar la materia oscura, una tarea que requiere colocar sensores cuánticos directamente dentro de potentes imanes donde los cúbits de aluminio tradicionales dejarían de funcionar. Si bien el dispositivo actual tiene una pequeña cantidad de no linealidad, lo que limita la facilidad con la que puede usarse para ciertos tipos de cálculos, los investigadores señalan que este parámetro puede ajustarse en diseños futuros mediante el ajuste del tamaño de la unión o el uso de técnicas de fabricación más precisas. Al demostrar que se puede construir un cúbit a partir de este material y que puede funcionar con tal alta coherencia, el estudio proporciona una base sólida para la próxima generación de sensores y computadoras cuánticas, cerrando la brecha entre los materiales exóticos y las aplicaciones cuánticas prácticas.