Coherent oscillations in weakly anharmonic NbSe2 qubit

A busca para construir máquinas que pensam e calculam de maneiras impossíveis para os computadores de hoje depende de uma unidade de informação minúscula e frágil chamada qubit. Ao contrário dos bits em um computador padrão, que são zero ou um, um qubit pode existir em um estado delicado de ambos ao mesmo tempo, mas apenas se for mantido perfeitamente isolado do mundo ruidoso e caótico ao seu redor. Para alcançar isso, os cientistas frequentemente utilizam circuitos supercondutores, que são loops elétricos que transportam corrente sem qualquer resistência, mas apenas quando resfriados a temperaturas próximas do zero absoluto. O coração desses circuitos é uma junção especial que atua como um porteiro, permitindo que o qubit se comporte como um oscilador quântico. Durante anos, pesquisadores construíram essas junções usando alumínio, um material com um processo de fabricação bem compreendido. No entanto, o alumínio tem limites; é propenso a defeitos microscópicos e tem dificuldade em funcionar em campos magnéticos fortes, o que impede os cientistas de usar essas poderosas ferramentas quânticas para certos tipos de trabalho de detetive cósmico, como a busca por partículas invisíveis que podem compor a matéria escura.

Para superar essas barreiras, uma equipe de pesquisadores voltou-se para uma classe diferente de materiais conhecidos como sólidos de van der Waals. Imagine estes como pilhas de folhas ultra-finas, como um baralho de cartas, onde as camadas podem ser descascadas e empilhadas de novas maneiras com precisão atômica. Esses materiais oferecem uma estrutura interna mais limpa e perfeita do que o alumínio, potencialmente protegendo o qubit dos defeitos que fazem com que ele perca seu estado quântico. Embora os cientistas já tenham conseguido fabricar qubits usando grafeno, uma única camada de carbono, eles ainda não tiveram sucesso em criar um qubit funcional a partir de outros candidatos promissores desta família. Em um novo estudo, pesquisadores construíram e testaram com sucesso um qubit usando disseleneto de niobio, um material que não é apenas um supercondutor, mas também notavelmente resistente a campos magnéticos. Esta conquista marca a primeira vez que um qubit é feito deste material específico, abrindo uma porta para dispositivos quânticos mais robustos que poderiam operar em ambientes onde o alumínio falharia.

Os pesquisadores construíram seu dispositivo pegando dois minúsculos flocos de disseleneto de niobio, cada um com apenas cerca de dez a quinze nanômetros de espessura, e sobrepondo-os cuidadosamente para criar uma junção onde as duas camadas se encontram. Eles colocaram esta junção delicada dentro de uma caixa oca de alumínio, que atua como um ressonador para ajudar a controlar e ler o estado do qubit. Para garantir que a junção funcionasse corretamente, conectaram-na a grandes almofadas de alumínio e cercaram todo o aparato com filtros para bloquear calor e radiação estranhos. O experimento ocorreu em um laboratório especializado onde a temperatura foi resfriada para cerca de vinte milikelvin, uma fração de um grau acima do zero absoluto, para garantir que o material permanecesse supercondutor. Ao enviar pulsos de micro-ondas para dentro da caixa, a equipe pôde sondar o comportamento da junção e ver se ela agia como um oscilador quântico.

O que encontraram foi um dispositivo que se comportou exatamente como um oscilador fracamente anharmônico deveria, o que significa que poderia manter informações quânticas enquanto resiste ao ruído que normalmente as destrói. Quando os pesquisadores aumentaram a potência dos sinais enviados para o dispositivo, a ressonância da cavidade mudou de uma forma que indicava que o material estava se comportando como um oscilador de "amolecimento" (softening), um tipo específico de comportamento não linear. Notavelmente, o dispositivo permaneceu estável mesmo quando os pesquisadores introduziram uma quantidade significativa de ruído térmico, equivalente a cinco a dez fótons extras de energia de calor dentro da cavidade. Este nível de robustez é muito superior ao que foi visto em outros qubits feitos de materiais semelhantes de camadas. Além disso, a equipe demonstrou que, ao ajustar a potência do sinal de entrada, eles podiam inverter o comportamento do oscilador de amolecimento para "endurecimento" (hardening), efetivamente mudando o sinal de sua não-linearidade. Esta capacidade de ajustar as propriedades fundamentais do dispositivo sugere um alto grau de controle sobre o sistema quântico.

O teste mais crítico para qualquer qubit é quanto tempo ele consegue manter seu estado quântico antes de perder a coerência, uma propriedade medida por um valor chamado tempo de relaxação. Neste experimento, o qubit de disseleneto de niobio manteve seu estado por 6,5 microssegundos, uma duração que é aproximadamente cem vezes mais longa do que os melhores resultados alcançados anteriormente com qubits baseados em grafeno. Este tempo de vida estendido deve-se provavelmente à alta qualidade cristalina do disseleneto de niobio, que minimiza os defeitos internos que normalmente perturbam os estados quânticos, combinada com a capacidade do material de suportar correntes mais altas. A equipe também observou oscilações rítmicas claras no estado do qubit, conhecidas como oscilações de Rabi, que confirmaram que o dispositivo poderia ser manipulado com precisão. Embora não tenham sido capazes de medir o tempo de decoerência total devido à extensão dos pulsos de controle necessários, o tempo de relaxação por si só representa um salto massivo para esta classe de materiais.

Este trabalho serve como uma demonstração poderosa de que os materiais de van der Waals podem ser integrados com sucesso às tecnologias quânticas, oferecendo um caminho para dispositivos que podem ser mais duráveis e versáteis do que os atuais sistemas baseados em alumínio. A capacidade do disseleneto de niobio de funcionar em campos magnéticos fortes é particularmente significativa, pois sugere que estes qubits poderiam eventualmente ser usados em experimentos para detectar matéria escura, uma tarefa que exige colocar sensores quânticos diretamente dentro de ímãs poderosos onde os tradicionais qubits de alumínio parariam de funcionar. Embora o dispositivo atual tenha uma pequena quantidade de não-linearidade, o que limita a facilidade com que pode ser usado para certos tipos de cálculos, os pesquisadores observam que este parâmetro pode ser refinado em projetos futuros através do ajuste do tamanho da junção ou do uso de técnicas de fabricação mais precisas. Ao provar que um qubit pode ser construído a partir deste material e pode performar com tal alta coerência, o estudo fornece uma base sólida para a próxima geração de sensores e computadores quânticos, preenchendo a lacuna entre materiais exóticos e aplicações quânticas práticas.