Descoberta abre caminho para novos tipos de dispositivos eletrônicos supercondutores (Fabricating inexpensive, high-temp SQUIDs: Discovery paves way for new kinds of superconducting electronics)

Representação da forma do feixe de íons de hélio criando uma junção Josephson em escala atômica num cristal supercondutor de alta temperatura, o YBa₂Cu₃O_7-d. A inserção retrata a aparência do dispositivo em escala macroscópica (milímetros). Crédito: Meng Ma / UCSD 

Físicos da Universidade da Califórnia em San Diego (UCSD), desenvolveram uma nova maneira de controlar o transporte de correntes elétricas em supercondutores de alta temperatura. A descoberta abre caminho para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos sofisticados, capazes de permitir que cientistas ou médicos meçam de forma não invasiva os minúsculos campos magnéticos do coração ou do cérebro, e melhorem as comunicações por satélite.

       “Acreditamos que esta nova abordagem vai ter um impacto significativo e de longo alcance em medicina, física, ciência de materiais e de satélites de comunicações”, disse Robert Dynes, professor de física na UCSD. “Isso vai permitir o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos eletrônicos supercondutores cobrindo um amplo espectro, variando de magnetômetros altamente sensíveis para medições biomagnéticas do corpo humano até matrizes em grande escala para comunicações de banda larga por satélite. Em ciência básica, espera-se que contribua para o entendimento dos mistérios de supercondutores não convencionais e poderá desempenhar um papel importante em novas tecnologias, como a ciência da informação quântica”.

       Os pesquisadores encontraram uma forma de controlar o transporte elétrico nestes materiais através da construção de um dispositivo dentro do material supercondutor chamado de ‘junção Josephson’, análogo em função do transistor em eletrônicos semicondutores. Ele é composto de dois eletrodos supercondutores separados por cerca de um nanômetro.

       Circuitos construídos a partir de junções Josephson, chamados de dispositivo supercondutor de interferência quântica (SQUID), são usados ​​para detectar campos magnéticos extremamente pequenos, mais de 10 bilhões de vezes menor do que o da Terra. Uma grande desvantagem para esses dispositivos é a baixa temperatura necessária para a sua operação, normalmente apenas 4 graus acima do zero absoluto. Isto exige sistemas de refrigeração intrincadas e dispendiosos.

Pesquisadores da UCSD, da esquerda para a direita: Shane Cybart, Bob Dynes, Meng Ma e Ethan Cho. Crédito: Ethan Cho/UCSD

       Quase três décadas se passaram desde a descoberta do primeiro supercondutor de alta temperatura e o progresso na construção de dispositivos eletrônicos com esses materiais tem sido muito lento. Isso porque o controle do processo em escala inferior a 10 nanômetros é necessário para fazer junções Josephson de alta qualidade fora desses materiais.

       Os físicos da UCSD uniram-se a Carl Zeiss Microscopy em Peabody (Massachusetts), que dispõem de equipamentos capazes de gerar feixes altamente focados de íons de hélio, visando experimentar uma abordagem que acreditavam poder evitar problemas anteriores.

       “Usando o feixe de hélio finamente focado do Zeiss Orion's, nós irradiamos e, portanto, desordenamos uma região nanométrica do supercondutor para criar o que é chamado de ‘barreira de tunelamento quântico’ e fomos capazes de escrever circuitos Josephson diretamente em um filme fino do óxido supercondutor”, afirmou Shane Cybart, físico que desempenhou um papel fundamental nas descobertas. “Usando esse método de escrita direta eliminamos o tratamento litográfico e oferecemos a promessa de um caminho simples de circuitos quânticos que operam em temperaturas mais práticos”.

       “A chave para este método é que os supercondutores de alta temperatura são muito sensíveis aos defeitos pontuais provocados pelo feixe de íons na rede cristalina. O aumento dos níveis de irradiação tem o efeito de aumentar a resistividade e reduzir a temperatura de transição supercondutora”, disse Cybart. “Em níveis muito elevados de irradiação, o supercondutor se torna isolante. Isso nos permite usar o pequeno feixe de hélio para escrever estas junções diretamente no material”.

       Os físicos que entraram com um pedido de patente para licenciar sua descoberta, agora estão colaborando com pesquisadores médicos para aplicar o seu trabalho no desenvolvimento de dispositivos que podem medir de forma não invasiva os minúsculos campos magnéticos gerados dentro do cérebro, a fim de estudar distúrbios cerebrais, como o autismo e epilepsia em crianças.

       “No campo das comunicações, estamos desenvolvendo comunicações por satélite de taxa de transferência de dados de alta largura de banda,” disse Cybart. “Na ciência básica, estamos usando essa tecnologia para estudar materiais supercondutores cerâmicos visando ajudar a determinar a física que rege o seu funcionamento de modo a conduzir a melhores materiais que operam em temperaturas ainda mais altas”.

Fonte: http://phys.org/news/2015-06-discovery-paves-kinds-superconducting-electronics.html

D-Wave Systems atinge marca de processamento de 1000 bits quânticos

A D-Wave Systems anunciou nesta semana que ultrapassou a marca de processamento de 1000 qubits (bits quânticos) com um novo chip que tem o dobro do tamanho do último criado pela própria empresa. Com isso, o processador considera 2¹⁰⁰⁰ possibilidades simultaneamente, o que minimiza as 2⁵¹² possibilidades que estavam disponíveis com o D-Wave Two. Para efeito de comparação, o número de possibilidades que o chip pode considerar é maior do que o número de partículas de todo o universo visível.

       Em termos práticos, a conquista tecnológica da D-Wave Systems permitirá que um computador quântico possa resolver problemas computacionais mais complexos do que qualquer outro. Isso porque o qubit, que é uma unidade de informação com propriedades quânticas, trata os dados de maneira diferente do bit comum. Em vez de considerar as informações de forma isolada, como fazem os computadores tradicionais, ele as integra para criar novas dimensões para o processamento.

       “Quebrar a barreira dos 1000 qubits marca o resultado de anos de pesquisa e desenvolvimento de nossos cientistas, engenheiros e fabricantes”, afirmou Vern Brownell, CEO da D-Wave. “Esse é um passo essencial para trazer a promessa da computação quântica para lidar com problemas mais desafiadores que as organizações possam enfrentar, sejam eles técnicos, comerciais, científicos ou de segurança nacional”.

       Os novos processadores, que compreendem mais de 128.000 junções Josephson em 6 camadas de metal num processo de 0,25 µm, são os supercondutores de circuitos integrados mais complexos já produzidos com sucesso.  Para que funcionem, esses chips precisam estar 40% mais refrigerados do que os outros processadores quânticos – que já requeriam estar próximos do zero absoluto. Com esse novo processo de fabricação, a D-Wave conseguiu também reduzir o barulho dos componentes em 50%.

       “Para a indústria de computação de alto desempenho, a promessa da computação quântica é muito emocionante. Ela oferece o potencial para resolver problemas importantes que não podem ser resolvidos hoje ou tomariam uma quantidade razoável de tempo para isso”, disse Earl Joseph, vice-presidente da IDC ao HPC.

       Baseada em Palo Alto, na Califórnia, a D-Wave é a maior fabricante de componentes de computação quântica do momento e presta serviços para a NASA e Google.

Fonte: http://info.abril.com.br/noticias/ti/2015/06/d-wave-atinge-marca-de-processamento-de-1-000-bits-quanticos.shtml

Corrigindo erros quânticos em circuitos supercondutores (Correcting quantum errors in superconducting circuits)

a) O código de repetição é uma variante unidimensional (1D) do código de superfície, e é capaz de proteger contra erros (bit-flip). O código é implementado usando um padrão alternado de dados e medição de qubits. b) Micrografia óptica do dispositivo quântico supercondutor, que consiste em nove qubits “transmon” com controle e medição individual. c) O algoritmo do código de repetição utiliza repetidas operações de medidas e de emaranhamento que detectam bit-flips, utilizando o esquema de paridade no lado direito. Usando o output a partir dos qubits medidos durante a repetição do código para detecção de erro, o estado inicial pode ser recuperado removendo erros físicos no software. Texto e imagem: Nature

         Os computadores quânticos do futuro serão construídos a partir de um grande número de bits quânticos (qubits), que deverão estar em certos estados quânticos. No entanto, esses estados são extremamente frágeis e facilmente destruídos por “erros de bits” vindos do ruído externo no ambiente, e os físicos ainda não conseguiram criar qubits robustos o suficiente para serem usados em uma máquina prática. Pesquisadores da Universidade da Califórnia em Santa Barbara e da Google construíram um sistema de nove qubits em um circuito supercondutor que é robusto a esses erros e as suas experiências mostram que a correção de erro quântico poderia agora ser realisticamente possível em um dispositivo.

        Os pesquisadores, liderados por John Martinis, construíram um circuito quântico supercondutor que consiste em nove qubits. Cada qubit é um pequeno circuito constituído por um condensador e um indutor não-linear (chamado cruzamento Josephson), que atua como um átomo artificial. Os materiais que compõem o conjunto são uma película de alumínio depositada em um substrato de safira.

        “Nosso sistema de nove qubits pode proteger-se de erros de bits que inevitavelmente surgem do ruído e flutuações do ambiente em que os qubits estão incorporados”, explica o membro da equipe de Julian Kelly. “Mostramos também que ‘mais é melhor’: nove qubits protege o sistema melhor do que cinco qubits, um requisito fundamental quando vai para mais qubits em um computador quântico real do futuro”.

Estados quânticos são frágeis

        Os computadores quânticos vão funcionar com base no princípio de que uma partícula quântica pode estar em uma superposição de dois estados ao mesmo tempo – ‘spin up’ e ‘spin down’ no caso de um elétron, por exemplo. Os dois estados representam um ‘1’ e ‘0’, de modo que N partículas - os qubits - podem ser combinados, ou ‘emaranhados’, para representar valores 2N simultaneamente. Isso levaria ao processamento paralelo de informação em grande escala, o que não é possível com os computadores convencionais.

        Tais máquinas quânticas teriam um desempenho muito melhor em determinadas tarefas, como a aprendizagem de máquina ou simulação de moléculas complexas, por exemplo, porque suas velocidades de processamento devem crescer exponencialmente com o número de qubits de informação envolvidos. Na prática, porém, os físicos têm se esforçado para criar até mesmo o computador quântico mais simples, porque a fragilidade desses estados quânticos significa que eles são facilmente destruídos e são difíceis de controlar.

Paridade de medição

        “Na mecânica quântica, não podemos medir um qubit sem destruir a superposição e emaranhamento que faz com que a mecânica quântica funcione”, diz o membro da equipa Rami Barends, “mas podemos medir algo chamado paridade, que forma a base da correção de erro quântico”.

        Os pesquisadores exploraram esse fato e repetidamente mediram a paridade entre ‘dados’ de qubits adjacentes, fazendo uso de qubits de ‘medição’. “Cada ciclo, estes qubits de medição interagem com seus qubits de dados circundantes, através de portas lógicas quânticas e então podemos medi-los”, diz Kelly. “Quando ocorre um erro, a paridade muda de acordo e o qubit de medição relata um resultado diferente. Ao acompanhar esses resultados, podemos descobrir quando e onde ocorreu um erro de bit”.

Identificação e correção de erros

        Um número maior de qubits fornece mais informações para identificar e corrigir os erros, acrescenta Austin Fowler, membro da equipe. “Erros podem ocorrer a qualquer momento e em todos os tipos de qubits: qubits de dados, qubits de medição, durante a operação da porta e até mesmo durante a medida. Descobrimos que um dispositivo de cinco qubits é robusto para qualquer tipo de erro de bit que ocorre em qualquer lugar durante um algoritmo, mas um dispositivo de nove qubits é melhor porque é robusto para qualquer combinação de dois erros de bit”.

        Embora ainda muito longe de aplicações no mundo real, os pesquisadores dizem que um dispositivo de ‘auto-correção’ como o deles poderia ser uma ótima plataforma para testar algumas das ideias por trás da correção de erros - como proteger um estado quântico contra os famosos erros de phase-flip. “Nós também estamos agora ocupados em melhorar a qualidade dos nossos qubits e os materiais que usamos para fazê-los”, diz Kelly.

John Martinis e vários outros especialistas descrevem os benefícios e desafios da computação quântica em um podcast que apareceu pela primeira vez no site physicsworld.com: “A computação quântica: Desafios, triunfos e aplicações”.

Fonte1: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/60428

Fonte2: http://www.nature.com/nature/journal/v519/n7541/full/nature14270.html

Supercondutores ultrafinos dão um passo (Ultrathin Superconductors Take a Step Up)

S. Yoshizawa et al., Phys. Rev. Lett. (2014)

Filmes de metal de apenas um átomo de espessura ou dois podem se tornar supercondutores em temperaturas próximas do zero absoluto. No entanto, nestes materiais bidimensionais, pequenas imperfeições, como alterações na elevação de um átomo pode bloquear o fluxo das supercorrentes. Um novo estudo de vórtices em filmes de metal supercondutores fornece a primeira evidência direta de que defeitos atômicos se comportam como junções Josephson - estruturas feitas de dois supercondutores separados por uma barreira isolante. Os resultados implicam que os defeitos atômicos permitem o fluxo de supercorrentes a uma velocidade limitada, o que pode torná-los úteis como elementos funcionais em futuros dispositivos supercondutores 2D.

       Em 2010, físicos descobriram que filmes metálicos adsorvidos na superfície de silício poderiam se comportar como supercondutores. A descoberta veio como uma surpresa, uma vez que se esperava que as flutuações quânticas interrompessem a supercondutividade em estruturas 2D. Uma grande quantidade de pesquisa agora é dedicada a testar quão grande é a robustez desta supercondutividade. Imperfeições atômicas e outros defeitos de superfície normalmente têm pouco efeito sobre supercondutores volumétricos (3D), mas claramente influenciam o comportamento de materiais ultrafinos.

       Takashi Uchihashi e seus colegas realizaram medidas usando a microscopia de tunelamento por varredura em filmes de índio depositados em superfícies de silício. Especificamente, a equipe estudou a formação de vórtices viajando em torno de um circuito fechado que aparece em certos supercondutores quando um campo magnético externo é aplicado. Os pesquisadores observaram que a maioria dos vórtices era circular com um núcleo interior não supercondutor. No entanto, os vórtices localizados ao longo dos defeitos atômicos estavam em forma elíptica, e seus núcleos eram supercondutores. As simulações numéricas mostraram que esse comportamento era consistente com as imperfeições atômicas fornecendo um acoplamento Josephson entre diferentes patamares do filme.

Fonte1: http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.113.247004

Fonte2: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.113.247004

Agência de inteligência dos EUA pretende desenvolver um supercomputador usando supercondutores (US intel agency is developing a superconducting exascale computer and cryogenic memory)

Um chip supercondutor do MIT, que usa junções Josephson

O setor secreto de inteligência do governo dos EUA, a Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA), anunciou um programa para construir um supercomputador empregando materiais supercondutores. A IARPA junto com a IBM, Raytheon e Northrop Grumman deverão desenvolver o supercomputador, mas os detalhes financeiros exatos do acordo não estão disponíveis. Em última análise, a finalidade do programa é construir um supercomputador em escala exa - um computador que é capaz de executar, pelo menos, 1.000 petaflops (1 exaflop), ou cerca de 40 vezes mais rápido do que os supercomputadores atuais. E sim, caso você esteja se perguntando, esse supercomputador certamente será usado por agências como a CIA e a NSA para quebrar mensagens criptografadas.

        Como você provavelmente já deduziu, a IARPA é uma versão de inteligência do Departamento de Defesa dos Estados Unidos (DARPA). Uma rápida olhada nos programas de pesquisa da IARPA mostra semelhanças com a DARPA, mas com um viés para a engenharia social, computação neuromórfica e análise de big data. Neste caso, o supercomputador supercondutor é parte do programa Cryogenic Computing Complexity (C3).

        A principal tarefa do C3 é encontrar um caminho para a computação em escala exo, que não exija requisitos de energia e refrigeração extremamente caros. Os melhores supercomputadores atuais no mundo consomem cerca de 10 megawatts de energia para fornecer 20 petaflops de computação. Enquanto o hardware está se tornando energeticamente mais eficiente - graças aos avançados nós como o Intel 14 nm e o monstruoso paralelismo do CPU Power8 da IBM - esses avanços por si só não são suficientes para tornar viável a computação em escala exo. É necessário um novo tipo de computação, uma alternativa que não consuma tanta energia nem produza tanto calor.

Já existem alguns processadores quânticos supercondutores, como este de 128 qubit da D-Wave - mas eles não são capazes de aplicações em supercomputação

        Introduzir a lógica supercondutora - que é essencialmente um termo genérico para qualquer tipo de computador que usa a supercondutividade para reduzir a zero a resistência do circuito/transistor - reduzirá massivamente o consumo de energia e a geração de calor. Neste caso, parece que as companhias envolvidas no projeto deverão investigar especificamente a utilização de junções Josephson. Basicamente, se você colocar um semicondutor no meio de um fio supercondutor, você pode ativar o efeito Josephson em um interruptor(comutador,chave) com um baixíssimo consumo de energia. Essa abordagem é chamada de single-flux quantum (SFQ) logic – lógica de um único fluxo de quantum (SFQ) - e mais importante, é possível usá-la para conduzir um computador digital (binário). (computação usando supercondutores faz referência à computação quântica, mas nem sempre)

        O programa C3 da IARPA também considera o desenvolvimento da memória criogênica, que vai operar muito próxima com a CPU contendo supercondutores - mas atualmente não há detalhes sobre o aspecto dessa memória. Em ambos os casos, o poder de processamento não tem sentido sem os caches e a memória principal para apoiá-la.

        O plano é construir um protótipo de lógica supercondutora e memória, e se for um sucesso, avançar para a fase 2 do C3, que deverá ver essas novas tecnologias trabalhando em um supercomputador supercondutor utilizável. Pesquisas iniciais sugerem que a lógica supercondutora pode comutar a velocidades de 770 GHz, e fornecer cerca de 100 petaflops de desempenho enquanto consome apenas 200 kilowatts.

Nesse ínterim, a IBM e a Nvidia estarão prontas para construir dois supercomputadores de 150 petaflops para o Departamento de Energia dos Estados Unidos - que vai ser, de longe, os supercomputadores mais eficientes do mundo, mas que continuam a consumir energia suficiente para alimentar milhares de residências.

Fonte: http://www.extremetech.com/extreme/195322-us-intel-agency-is-developing-a-superconducting-exascale-computer-and-cryogenic-memory