Novo qubit robusto promete processador quântico em escala industrial

Redação do Site Inovação Tecnológica -20/05/2019

Foto do protótipo e esquema do qubit baseado nos férmions de Majorana. [Imagem: Antonio Fornieri/Universidade de Copenhagen]

Qubit plano

Uma equipe da Dinamarca e dos EUA, liderada pelo professor Antonio Fornieri, construiu um chip de memória quântica que promete facilitar a fabricação dos computadores quânticos em larga escala.

Vários grupos estão tentando há anos construir um protótipo de computador quântico que a indústria possa escalonar, mas os blocos fundamentais da computação quântica, os qubits, ainda não são robustos o suficiente para funcionar no ambiente cheio de ruído de um computador de grande porte.

Uma teoria desenvolvida há apenas dois anos propôs uma maneira de tornar os qubits mais resilientes mediante uma combinação de um semicondutor, o arseneto de índio, com um supercondutor, o alumínio, em um dispositivo planar.

Agora, essa teoria foi confirmada experimentalmente e, melhor ainda para o escalonamento dos qubits, em um componente plano, como as bolachas de silício usadas para fizer os chips atuais, e robusto, graças às propriedades protetoras da combinação do semicondutor com o supercondutor.

“Nosso protótipo é um primeiro passo significativo no uso deste tipo de sistema para fazer bits quânticos que são protegidos contra perturbações. No momento, ainda precisamos de alguns ajustes - podemos melhorar o projeto e os materiais. Mas é uma estrutura potencialmente perfeita,” afirmou Fornieri.

Qubit de Majorana

O alumínio e o arseneto de índio formaram um dispositivo, chamado junção Josephson, capaz de acomodar partículas de Majorana, que já se previra possuírem proteção topológica contra a decoerência - a decoerência é o fenômeno que marca a perda dos dados registrados em um qubit.

São os chamados férmions de Majorana de modo zero, quasipartículas que emergem na superfície dos supercondutores topológicos, que funcionam como qubits tolerantes a falhas e imunes a ruídos.

Também se sabia que o alumínio e o arseneto de índio funcionam bem juntos porque uma supercorrente pode fluir entre eles, uma vez que, diferentemente da maioria dos semicondutores, o arseneto de índio não possui uma barreira que impeça que os elétrons de um material entrem em outro. Desta forma, a supercondutividade do alumínio pode fazer as camadas superiores do arseneto de índio, que é um semicondutor, funcionarem como supercondutoras - por isso se diz que ele é um supercondutor topológico.

Agora falta montar o qubit plano junto a um processador quântico para checar sua robustez e, se tudo der certo, começar a fabricá-lo em larga escala.

Hoje, trilhões de transistores, as unidades básicas dos processadores eletrônicos, são postos nas pastilhas planas de silício. A expectativa é que o mesmo torne-se realidade para os computadores quânticos, com milhões de qubits operando harmoniosamente em dispositivos miniaturizados e fabricados em escala industrial.

Bibliografia:

Evidence of Topological Superconductivity in Planar Josephson Junctions. Antonio Fornieri, Alexander M. Whiticar, F. Setiawan, Elías Portolés, Asbjørn C. C. Drachmann, Anna Keselman, Sergei Gronin, Candice Thomas, Tian Wang, Ray Kallaher, Geoffrey C. Gardner, Erez Berg, Michael J. Manfra, Ady Stern, Charles M. Marcus, Fabrizio Nichele.
Nature, Vol.: 569, pages 89-92.

DOI: 10.1038/s41586-019-1068-8

Fonte: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=novo-qubit-robusto-promete-processador-quantico-escala-industrial&id=010110190520&ebol=sim#.XOtAv4hKiDI

Físicos brasileiros propõem modelo experimental para detectar férmion de Majorana em supercondutores

Em 1938, Ettore Majorana, um físico italiano de 31 anos, desapareceu sem deixar vestígios. Seu orientador, Enrico Fermi, que naquele mesmo ano ganhou o prêmio Nobel de Física, o comparou ao inglês Isaac Newton (1643-1727), posicionando-o vários degraus acima dos maiores expoentes de uma época fértil em gênios científicos. As habilidades matemáticas de Majorana eram prodigiosas.

Ettore Majorana

Costumava esboçar proposições teóricas sofisticadas em maços de cigarro, que, depois, amassava e jogava fora, classificando aqueles escritos como pueris. Em março de 1932, propôs, alguns meses antes do alemão Werner Heisenberg (1901-1976), um modelo do núcleo atômico como constituído por prótons e nêutrons. Mas, apesar da insistência de Fermi, recusou-se a publicar qualquer artigo a respeito.

Quando desapareceu, suspeitou-se de que havia sido sequestrado pelo regime fascista de Benito Mussolini, porque sabia demais. Depois, verificou-se que planejara meticulosamente a desaparição.

Outras hipóteses foram apresentadas: fugiu porque, sabendo do potencial destrutivo da energia nuclear, não queria ser obrigado a trabalhar para os fascistas na produção da bomba atômica; fugiu porque, movido por uma intensa aspiração mística, decidiu isolar-se em um mosteiro ou transformar-se em andarilho. Há suspeitas de que tenha se refugiado na Argentina, passando a ganhar a vida como engenheiro. Mas não existe prova conclusiva sobre quaisquer dessas suposições.

Dos poucos trabalhos que publicou, o mais famoso foi Teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone (Teoria simétrica do elétron e do pósitron), datado de 1937. Nele, apresentou a hipótese de uma partícula que teria a si mesma como antipartícula. A existência do neutrino acabara de ser postulada por Fermi e Wolfgang Pauli, e Majorana sugeriu que o neutrino poderia ser essa partícula.

Genericamente, essa partícula hipotética, que é sua própria antipartícula, recebe o nome de férmion de Majorana. Oito décadas depois de sua proposição, o férmion de Majorana continua a suscitar forte interesse na comunidade dos físicos. As pesquisas atuais em relação a ele enfocam não apenas o neutrino, mas também quase-partículas constituídas por excitações em supercondutores.

“No contexto da matéria condensada [em que o número de constituintes do sistema (átomos, elétrons etc.) é extremamente elevado, produzindo interações muito intensas entre eles], os férmions de Majorana poderiam se manifestar não como partículas reais, a exemplo dos prótons ou dos elétrons, mas como quase-partículas, ou partículas aparentes, que descrevem o estado do supercondutor”, disse o físico Antonio Carlos Ferreira Seridonio, professor do Departamento de Física e Química da Universidade Estadual Paulista (Unesp), no campus de Ilha Solteira (SP), à Agência FAPESP.

Um sistema considerado forte candidato a exibir os férmions de Majorana enquanto quase-partículas é o chamado “fio de Kitaev”. [Imagem: Dessotti et al. - 10.1063/1.4898776]

Seridonio é coautor do artigo “Probing the antisymmetric Fano interference assisted by a Majorana fermion”, recentemente publicado como matéria de capa pelo periódico Journal of Applied Physics.

O artigo propõe um modelo experimental para a obtenção do férmion de Majorana. Tal modelo foi concebido por um grupo de pesquisadores e pós-graduandos da Unesp em Ilha Solteira e em Rio Claro e da Universidade Federal de Uberlândia (UFU), liderados por Seridonio, Valdeci Mariano de Souza (Unesp-Rio Claro) e Fabrício Macedo de Souza (UFU).

O primeiro autor do artigo, Fernando Augusto Dessotti, é doutorando sob a orientação de Seridonio. E o segundo, o mestrando Luciano Henrique Siliano Ricco, tem o apoio da FAPESP em pesquisa que trata do tema da matéria publicada.

Um sistema considerado forte candidato a exibir os férmions de Majorana enquanto quase-partículas é o chamado “fio de Kitaev”, proposto pelo físico russo Alexei Kitaev (nascido em 1963), atualmente professor do California Institute of Technology (Caltech), nos Estados Unidos.

“Em 2001, trabalhando na Microsoft, Kitaev dedicou-se ao objetivo de encontrar uma unidade básica para a computação quântica [o qubit ou bit quântico], que fosse capaz de resistir a perturbações externas do meio, possibilitando assim a construção do computador quântico. O modelo apresentado por ele consistiu em um fio finito supercondutor. Quando tal fio se encontra em uma condição específica, chamada de fase topológica, seria possível isolar um majorana em cada uma de suas pontas. E esse par de quase-partículas comporia o bit quântico”, relatou Seridonio.

O artigo publicado por Seridonio e seu grupo no Journal of Applied Physics descreve uma via experimental para a detecção dessas quase-partículas. “Os componentes do aparato experimental que propomos já foram produzidos experimentalmente. Falta integrá-los. Acreditamos que é uma questão de tempo para que isso ocorra. E o nosso trabalho aponta um caminho para isso”, afirmou.

O aparato utiliza um interferômetro de elétrons (empregado no estudo do comportamento ondulatório dos elétrons) semelhante ao interferômetro de Bohm-Aharonov [idealizado no final de década de 1950 pelo físico norte-americano naturalizado brasileiro David Bohm (1917–1992) e pelo físico israelense Yakir Aharonov (1932), então seu orientando].

“Nossa ideia foi acoplar esse interferômetro a um fio de Kitaev na fase topológica. O transporte de elétrons no interferômetro ficaria afetado pelos majoranas presentes nas pontas do fio de Kitaev. E, por meio da alteração produzida nos espectros das ondas eletrônicas, seria possível caracterizar os majoranas”, explicou Seridonio.

“Para o futuro, utilizaremos o interferômetro proposto para explorar uma outra classe de majoranas, os que geram uma corrente de quase-partículas nas bordas de um supercondutor”, acrescentou o pesquisador.

O artigo Probing the antisymmetric Fano interference assisted by a Majorana férmion (doi: 10.1063/1.4898776), de F.A. Dessotti e colaboradores, pode ser lido em http://scitation.aip.org/content/aip/journal/jap/116/17/10.1063/1.4898776 .

Agência FAPESP

Fonte1: http://www.planetauniversitario.com/index.php/ciencia-e-tecnologia-mainmenu-75/33689-fisicos-brasileiros-propoem-modelo-experimental-para-detectar-fermion-de-majorana

Fonte2: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=brasileiros-propoem-experimento-detectar-fermion-majorana&id=010175141118#.VH8BQcnN5qR

Isolante topológico supercondutor (topological insulator goes superconducting)

Esquerda: filmes ultrafinos de Bi₂Se₃ epitaxialmente crescido na superfície (0001) do supercondutor monocristalino 2H-NbSe₂ usando a técnica de epitaxia de feixe molecular (molecular beam epitaxy technique). Centro: curvas de intensidade ARPES e mapa de dispersão ARPES de alta resolução do filme Bi₂Se₃ sobre NbSe₂ depois de "destapar" usando uma energia de fóton incidente de 50 eV (no detalhe). Direita: a direção da polarização de spin dos elétrons no nível de Fermi do supercondutor Bi₂Se₃. Cortesia: S-Y Xu

Físicos dos EUA e Taiwan dizem que encontraram a primeira evidência da supercondutividade no isolante topológico seleneto de bismuto graças às novas observações espectroscópicas. A descoberta não é apenas de fundamental importância para uma série de teorias de física da matéria condensada e de partículas, mas pode até ser explorada para construir no futuro qubits topológicos tolerantes a falhas.

Isolantes topológicos são materiais artificialmente construídos isolantes no volume da amostra, mas que podem conduzir eletricidade na superfície. Uma equipe de pesquisadores liderada por Zahid Hasan, da Universidade de Princeton, usando a técnica angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES), afirmam ter visto o “emparelhamento de Cooper” (a marca registrada da supercondutividade) nos elétrons que se encontram na superfície do isolante topológico Bi₂Se₃. ARPES é uma das formas mais diretas de estudar a estrutura eletrônica e supercondutividade em sólidos.

Supercondutividade é um fenômeno coletivo no qual os elétrons se movem em direções opostas superando a repulsão eletrostática para formar pares de Cooper abaixo de uma certa temperatura de transição. Estes pares podem condensar em um único estado quântico e mover-se sem resistência elétrica através do material supercondutor.

“Em supercondutores convencionais, elétrons de condução que se deslocam ao longo de uma determinada direção têm seus spins em ambas as direções, ‘up’ e ‘down’, e os dois tipos de elétrons podem emparelhar-se”, explica o membro da equipe Su-Yang Xu, também de Princeton. “Isolantes topológicos são diferentes. Os elétrons se movendo em uma direção deverão ter apenas elétrons com spin-up disponíveis para emparelhar-se, e aqueles que se movem na direção oposta só tem elétrons spin-down disponíveis. É por isso que as superfícies de isolantes topológicos são também chamadas de ‘half-Dirac-gas’ porque apenas metade dos elétrons está disponível para contribuir com a corrente elétrica de resistência zero. Além disso, as fortes interações dos pares de Cooper que existem em alguns supercondutores estão ausentes em isolantes topológicos e a supercondutividade nestes sistemas existe em um estado ‘fracamente interagente’. Fracamente interagente nesse contexto, significa que os elétrons não se repelem fortemente.”

Emparelhamento helicoidal de Cooper

Os pesquisadores mediram a energia cinética e a direção de spin dos elétrons ejetados de uma amostra de Bi₂Se₃ em um substrato de seleneto de nióbio (NbSe₂). “O processo de fotoemissão nos fornece informações extremamente úteis sobre a estrutura eletrônica e propriedades de um material”, diz Xu, “e a técnica com resolução de spin fornece informações adicionais sobre como são configurados os spins dos elétrons no material”.

Graças às temperaturas ultrabaixas em que realizaram os experimentos, Hasan e seus colegas dizem que eles foram capazes de observar pela primeira vez o “emparelhamento helicoidal de Cooper” em um sistema eletrônico de Dirac, fazendo uso de uma coisa chamada momentum-resolved Bogoliubov quasiparticle spectrum do isolante topológico quando é colocado sobre um substrato de um supercondutor convencional como o NbSe₂.

Férmions de Majorana e outra física exótica

A teoria prevê que partículas chamadas férmions de Majorana (partículas que são suas próprias antipartículas) poderiam ser feitas através da combinação de um supercondutor convencional com um isolante topológico. Uma série de outros aspectos fundamentais da física exótica também pode estar à espreita em tais estados de superfície no estado sólido.

Férmions de Majorana são previstos em física de alta energia, mas ainda não foram observados em experimentos de física de partículas. “Se eles forem encontrados na matéria condensada, como em um supercondutor topológico tipo half-Dirac-gas, eles podem ser usados para construir o famoso qubit topológico - o que nos ajudaria a fazer um computador quântico tolerante a falhas”, diz Xu. Isto porque férmions de Majorana - ao contrário dos familiares férmions de Dirac, como os elétrons - obedecem as “estatísticas não-Abelianas” e assim devem ser robustos ao ruído ambiental de fundo. Férmions de Majorana poderiam armazenar e transmitir informação quântica sem perturbação externa, o que é um dos principais desafios para quem tenta construir hoje um computador quântico prático e tolerante a falhas.

Testando a física de alta energia no estado sólido?

A supersimetria (outra teoria da física de alta energia) é outro exemplo interessante que ainda tem que ser testada em aceleradores de partículas. “Aqui, os bósons (partículas de spin inteiro) e férmions (partículas de spin semi-inteiro) podem ser convertidos um no outro em altas energias. Teóricos da matéria condensada dizem que ambas, a supersimetria e os férmions de Majorana, podem ser produzidos na mesma configuração do estado sólido - como o ‘spin-momentum locked’ half-Dirac gas que temos estudado”.

Até agora, todas as reivindicações de ver férmions de Majorana foram em sistemas de isolantes não-topológicos, mas um isolante topológica de Majorana seria uma partícula muito robusta, de longa duração.

Estimulado por suas observações, a equipe diz que agora está planejando uma técnica híbrida de espectroscopia de fotoemissão (combinação de espectroscopia de tunelamento e de transporte elétrico) para procurar um férmion de Majorana, e mais importante, as partículas de supersimetria (SUSYs) no componente helicoidal isolado dos pares de Cooper estudados no presente trabalho.

Embora nossos dados atuais não forneçam qualquer evidência para a supersimetria, esta é uma emocionante - e alguns diriam ambiciosa - direção futura que esperamos prosseguir graças a nossa identificação do emparelhamento helicoidal de Cooper, diz Xu.

A pesquisa está detalhada no artigo da Nature Physics.

Fonte1: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/59246

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3139.html