Superconducting circuits host two-level systems with lifetimes exceeding one second

Na busca por construir máquinas que possam resolver problemas além do alcance dos computadores de hoje, os cientistas estão se voltando para uma forma estranha e delicada de matéria: circuitos supercondutores. Estes são loops de metal que, quando resfriados a temperaturas próximas ao zero absoluto, permitem que a eletricidade flua sem qualquer resistência. Dentro desses circuitos, pesquisadores criam átomos artificiais chamados qubits, que servem como as unidades básicas de informação para computadores quânticos. Diferente dos bits em um computador padrão, que são ou zero ou um, um qubit pode existir em uma combinação de ambos os estados simultaneamente. No entanto, esses qubits são incrivelmente frágeis. Eles são constantemente bombardeados pelo seu ambiente, e até mesmo a menor interação pode fazer com que percam sua informação, um processo conhecido como decoerência. Por anos, a comunidade científica trabalhou incansavelmente para blindar esses qubits de seus arredores, esperando estender o tempo que eles conseguem manter seu estado quântico. A crença predominante era que, à medida que os qubits se tornassem mais estáveis, o ruído de fundo de seu ambiente acabaria ficando silencioso o suficiente para ser ignorado.

Uma equipe de pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, na Alemanha, desafiou agora essa suposição ao descobrir que o ambiente de um circuito supercondutor é muito mais persistente do que qualquer um esperava. Usando um tipo especializado de circuito supercondutor conhecido como transmon, que é feito de metal de tântalo e resfriado a temperaturas extremas, os cientistas buscaram fontes ocultas de ruído que poderiam estar interferindo em seus qubits. Eles estavam procurando por "sistemas de dois níveis", que são minúsculos defeitos no material que podem agir como interruptores em miniatura, alternando entre dois estados e roubando energia do qubit. Embora esses defeitos sejam conhecidos há algum tempo, os pesquisadores encontraram algo extraordinário: uma classe específica desses defeitos que pode reter energia por mais de um segundo. Este é um tempo impressionante no mundo quântico, onde os qubits normalmente perdem seu estado em uma fração de milissegundo.

Para encontrar esses defeitos elusivos, os pesquisadores empregaram uma técnica chamada espectroscopia de correlação de salto quântico. Imagine ouvir uma única nota tocada em um violino em uma sala silenciosa. Se a nota subitamente para, você pode se perguntar para onde o som foi. Neste experimento, o qubit é o violino, e os pesquisadores observam o momento em que ele para de vibrar, ou "salta para baixo" para um estado de menor energia. Normalmente, quando um qubit perde energia, essa energia desaparece para sempre no ambiente circundante. No entanto, a equipe observou que, às vezes, após o qubit perder um fóton de energia, essa energia retornava ao qubit após um curto atraso. Esse retorno de energia indicava que o ambiente não havia simplesmente absorvido a energia, mas a havia armazenado temporariamente em um estado de longa duração antes de devolvê-la. Ao rastrear cuidadosamente esses eventos, os pesquisadores foram capazes de isolar três defeitos específicos que estavam retendo energia por durações que variam de centenas de milissegundos a mais de um segundo.

Os pesquisadores então projetaram um novo método para medir exatamente quanto tempo esses defeitos podiam reter sua energia. Eles usaram uma estratégia de "bomba-sonda" (pump-probe), que envolvia primeiro excitar o defeito para preenchê-lo com energia e depois esperar para ver quanto tempo levaria para essa energia vazar. Ao ajustar a frequência do qubit para ser ligeiramente diferente da frequência do defeito, eles pudram controlar o quão fortemente os dois interagiam. Quando a interação era fraca, descobriram que os defeitos mantinham sua energia por períodos notavelmente longos. De fato, para dois dos defeitos estudados, a energia permaneceu armazenada por mais de um segundo. Isso é ordens de magnitude mais longo do que a própria vida útil do qubit, que tipicamente dura apenas cerca de cem microssegundos. O fato de esses defeitos poderem armazenar energia por tanto tempo sugere que eles são excepcionalmente isolados do resto do mundo, tornando-os incrivelmente difíceis de detectar com ferramentas de medição padrão.

O estudo também forneceu pistas sobre o que esses defeitos poderiam realmente ser. Os pesquisadores compararam suas medições com um modelo padrão usado para descrever como átomos ou moléculas se movem entre duas posições em um material sólido. Este modelo sugere que defeitos que se movem muito lentamente e interagem muito fracamente com seus arredores devem ter tempos de vida muito longos. Os dados do experimento corresponderam perfeitamente a essa previsão, sugerindo que esses defeitos de longa duração são provavelmente pequenas imperfeições estruturais no material que realizam tunelamento, ou se movem, entre duas posições muito lentamente. Embora os pesquisadores ainda não possam dizer exatamente qual é a estrutura química ou física desses defeitos, as evidências apontam para longe de outras possibilidades, como impurezas magnéticas ou partículas presas, que se comportariam de maneira diferente. A interação fraca entre o qubit e esses defeitos, medida na faixa de alguns milhares de ciclos por segundo, é consistente com a ideia de que são defeitos posicionais descritos por este modelo padrão.

Esta descoberta muda a forma como os cientistas veem o ambiente dos computadores quânticos. Anteriormente, pensava-se que, conforme os qubits se tornassem melhores, o ruído restante seria de curta duração e fácil de gerenciar. Agora, parece que o ruído mais persistente vem desses defeitos de longa duração que podem armazenar energia por segundos. Isso tem implicações importantes para o futuro da correção de erros quânticos, que é o método usado para corrigir erros em cálculos quânticos. Se o ambiente "lembra" o estado do qubit por um longo tempo, ele pode criar padrões complexos de erros que são mais difíceis de prever e corrigir. No entanto, os pesquisadores também veem um potencial positivo. Como esses defeitos podem reter informação quântica por tanto tempo, eles podem um dia ser usados como uma forma de memória dentro de um circuito quântico. Os pesquisadores sugerem que, à medida que os cientistas continuarem a melhorar a qualidade de seus qubits, eles provavelmente encontrarão ainda mais desses defeitos de longa duração, tal como um telescópio com lentes melhores revelando estrelas mais tênues no céu noturno.

O trabalho apresentado neste artigo estabelece um novo quadro para entender o mundo microscópico dentro de circuitos supercondutores. Ele prova que esses circuitos podem atuar como sondas sensíveis para detectar graus de liberdade microscópicos que duram segundos, uma escala de tempo que era anteriormente considerada impossível neste contexto. Embora a natureza exata desses defeitos ainda seja objeto de investigação adicional, a capacidade de medir seus tempos de vida e força de acoplamento fornece um passo crucial para controlá-los. Quer esses sistemas de longa duração sejam vistos como um incômodo que deve ser eliminado ou como um recurso que pode ser aproveitado, sua existência altera fundamentalmente o cenário da tecnologia quântica. Os pesquisadores abriram uma porta para uma camada oculta do ambiente quântico, uma que é silenciosa, persistente e cheia de potencial tanto para desafios quanto para descobertas.