Investigadores del MIT y 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 permite representar dos estados lógicos simultáneamente. La manifestación, que utilizó un nuevo tipo de qubit basado en grafeno, representa un paso fundamental para la práctica de la computación cuántica, dicen los investigadores.

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 computadoras, Los qubits pueden mantener uno de los dos estados correspondientes a los bits binarios clásicos, a 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 mayor sea el tiempo de coherencia, cuanto mayor sea 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 más rápido, informática más eficiente, entre otras ventajas. Hasta ahora, sin embargo, no ha habido coherencia registrada para estos qubits avanzados, por lo que no se sabe si son 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, muy parecido a los transistores de los chips informáticos tradicionales de hoy en día, ya diferencia de la mayoría de los otros tipos de qubits superconductores. Es más, los investigadores ponen un número a esa coherencia, cronometrando en 55 nanosegundos, antes de que el qubit vuelva a su estado fundamental.

El trabajo combinó la experiencia de los coautores William D. Oliver, un profesor de física de la práctica y miembro del laboratorio Lincoln 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 que investiga 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 postdoctorado en el grupo de Oliver en el Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE) del MIT. "En este trabajo, mostramos por primera vez que un qubit superconductor hecho de grafeno es temporalmente coherente cuántica, un requisito clave para construir circuitos cuánticos más sofisticados. El nuestro es el primer dispositivo que muestra un tiempo de coherencia medible, una métrica principal de un qubit, que es lo suficientemente largo para que lo controlen los humanos ".

Hay otros 14 coautores, incluyendo a Daniel Rodan-Legrain, un estudiante de posgrado 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 e Informática, y Laboratorio Lincoln; e investigadores del Laboratorio de Sólidos Irradiados de la École Polytechnique y del Laboratorio de Materiales Avanzados del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales.

Un sándwich de grafeno impecable

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 tradicionales de qubit sintonizables, un bucle de corriente crea un pequeño campo magnético que hace 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 de un átomo de espesor que es barata de producir en masa y tiene propiedades únicas que podrían permitir una producción más rápida, Computación más eficiente.

Para fabricar su qubit, los investigadores recurrieron a una clase de materiales, llamados materiales de van der Waals:materiales delgados atómicos que se pueden apilar como Legos uno encima del otro, con poca o ninguna resistencia o daño. Estos materiales se pueden apilar de formas específicas para crear varios sistemas electrónicos. A pesar de su calidad superficial casi impecable, solo unos pocos grupos de investigación han aplicado materiales de van der Waals a circuitos cuánticos, y no se ha demostrado previamente que ninguno exhiba coherencia temporal.

Para su cruce de Josephson, los investigadores colocaron una hoja de grafeno entre las dos capas de un aislante de van der Waals llamado nitruro de boro hexagonal (hBN). En tono rimbombante, el grafeno adquiere la superconductividad de los materiales superconductores que toca. Los materiales de van der Waals seleccionados se pueden hacer para marcar el comienzo de los electrones usando voltaje, en lugar del campo magnético tradicional basado en corriente. Por lo tanto, también puede hacerlo el grafeno, y también el qubit completo.

Cuando se aplica voltaje al qubit, los electrones rebotan hacia adelante y hacia atrás entre dos cables superconductores conectados por grafeno, cambiando el qubit de tierra (0) a excitado o estado de superposición (1). La capa inferior de hBN sirve como sustrato para albergar el 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 los defectos. Esto representa el "transporte balístico" ideal para qubits, donde la mayoría de los electrones se mueven de un cable superconductor a otro sin dispersarse con impurezas, haciendo un rapido, cambio preciso de estados.

Cómo ayuda el voltaje

El trabajo puede ayudar a abordar el problema de escalamiento de qubit, "Dice Wang. Actualmente, solo alrededor de 1, 000 qubits pueden caber en un solo chip. Tener qubits controlados por voltaje será especialmente importante ya que millones de qubits comienzan a amontonarse en un solo chip. "Sin control de voltaje, también necesitará miles o millones de bucles de corriente, y eso ocupa mucho espacio y conduce a la disipación de energía, " él dice.

Adicionalmente, control de voltaje significa una mayor eficiencia y un más localizado, orientación precisa de qubits individuales en un chip, sin "charla cruzada". Eso sucede cuando un poco del campo magnético creado por la corriente interfiere con un qubit al que no apunta, causando problemas de computación.

Por ahora, el qubit de los investigadores tiene una vida breve. Para referencia, Los qubits superconductores convencionales que son prometedores para la aplicación práctica han documentado tiempos de coherencia de unas pocas decenas de microsegundos, unos cientos de veces mayor 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 usando 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 la coherencia de los qubits en general.