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

Processador supercondutor mais próximo da realidade

Redação do Site Inovação Tecnológica -  08/08/2017

Fluxons

       Anote na sua agenda a nova quasipartícula que está se habilitando para impulsionar um salto qualitativo na informática: os fluxons.

       Inicialmente conhecidos como vórtices de Abrikosov (Alexei Abrikosov 1928-2017), os fluxons são quasipartículas que emergem na superfície dos supercondutores quando eles são submetidos a um campo magnético. Curiosamente, o campo magnético destrói a supercondutividade naquele ponto, com o fluxon emergindo da circulação de uma pequena corrente elétrica induzida pelo magnetismo.

       Em outras palavras, o fluxon pode ser entendido como um quantum de campo magnético.

       Agora, uma equipe da Universidade de Viena, na Áustria, demonstrou que esses objetos quantizados são particularmente adequados para armazenamento e processamento de dados, bastando que eles sejam organizados da forma correta.

       Para isso, a equipe criou uma espécie de “caixa de ovos quântica”, onde cada buraco acomoda um fluxon de forma estável e regular, criando uma matriz com centenas de milhares de fluxons, prontos para servirem de base para a computação ou para o armazenamento de bits.

       Isto representa o coroamento de um longo esforço rumo à criação de circuitos digitais em supercondutores - além da velocidade e da elevada densidade de dados, um processador supercondutor virtualmente elimina os problemas de aquecimento dos processadores atuais, permitindo dar um salto em termos de velocidade de processamento.

Estrutura (em cima) e microfotografia (embaixo) da armadilha de fluxons. [Imagem: G. Zechner et al. - 10.1103/PhysRevApplied.8.014021]

Em um supercondutor perfeitamente homogêneo, os fluxons emergem na forma de uma rede hexagonal. Mas essa estrutura em equilíbrio não serve para muita coisa. Com a nova armadilha artificial, torna-se possível organizar as quasipartículas em qualquer formação que se desejar, colocando-as em um arranjo fora do equilíbrio, adequado para codificar e processar informações.

       Georg Zechner e seus colegas criaram uma matriz de 180.000 fluxons. Dependendo do campo magnético externo, eles mudam de organização de uma forma que só é possível em se tratando de objetos quânticos: ao contrário dos ovos, onde cada depressão da caixa pode conter apenas um, na matriz cada armadilha pode ficar vazia, ter um fluxon ou ter vários fluxons - um caminho para o uso da nanoestrutura também pela computação quântica.

       “Mesmo após dias nós observamos precisamente o mesmo arranjo de fluxons - uma estabilidade de longo prazo que é particularmente surpreendente para um sistema quântico,” disse Zechner.

       A equipe agora planeja fabricar nanoestruturas mais sofisticadas, que permitirão a transferência sistemática de fluxons de uma armadilha para a outra. Este deverá ser outro passo pioneiro rumo ao desenvolvimento de circuitos de computador baseados em quasipartículas e materiais supercondutores.

Bibliografia: Hysteretic Vortex-Matching Effects in High-Tc Superconductors with Nanoscale Periodic Pinning Landscapes Fabricated by He Ion-Beam Projection. G. Zechner, F. Jausner, L. T. Haag, W. Lang, M. Dosmailov, M. A. Bodea, J. D. Pedarnig. Physical Review Applied. Vol.: 8, 014021. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.8.014021

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=fluxons-abrem-caminho-processador-supercondutor&id=010110170808&ebol=sim

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

Menor geladeira do mundo vai congelar qubits e pixels

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/11/2014

Esquema de funcionamento e visão superior da microgeladeira. [Imagem: Hung Nguyen/Hanoi University of Science/QNES/CNRS]

Microgeladeira

Algumas vezes é necessário resfriar muito coisas grandes - de um metro cúbico, por exemplo. Noutras, o frio deve ser igualmente radical, mas em volumes muito menores. Para esses casos, Hung Nguyen e seus colegas da Universidade de Hanói (Vietnã) e Aalto (Finlândia), criaram aquela que pode ser chamada de a menor geladeira do mundo. O microrrefrigerador funciona arrancando elétrons de alta energia de um metal e transferindo-os para um supercondutor, levando com eles o calor.

Refrigeração eletrônica

Esta técnica de refrigeração eletrônica usa duas junções metal-isolante-supercondutor. Quando uma tensão é aplicada à junção, elétrons de energia mais alta (quentes) fluem para fora do metal em direção ao primeiro supercondutor, enquanto elétrons de energia mais baixa (frios) fluem para o metal vindos do segundo supercondutor.

Para evitar que quasipartículas chamadas excitons (pares elétron-lacunas), que têm alta energia relativa, voltem para o metal e atrapalhem o resfriamento, a equipe criou um "ralo para quasipartículas", uma fita de alumínio-manganês que transfere a energia dos excitons para fônons na própria fita.

O protótipo conseguiu resfriar pequenas peças, com alguns micrômetros cúbicos, de -150 millikelvin (mK) para -30 mK. Para comparação, a supergeladeira usada no detector de neutrinos Cuore atinge -10 mK.

Segundo a equipe, essa microgeladeira pode ser instalada diretamente no interior de um chip para resfriar qubits de processadores quânticos ou os sensores ultrassensíveis das câmeras usadas em telescópios.

Bibliografia:

Sub-50-mK Electronic Cooling with Large-Area Superconducting Tunnel Junctions. H. Q. Nguyen, M. Meschke, H. Courtois, J. P. Pekola, Physical Review Applied Vol.: 2, 054001. DOI:10.1103/PhysRevApplied.2.054001 http://arxiv.org/abs/1402.5872

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=menor-geladeira-mundo&id=010165141125&ebol=sim#.VH4VBcnN5qR

Forte campo magnético produz um estado supercondutor exótico (Superconductor finally goes with the FFLO)

Vesna Mitrović em seu laboratório

        Um fenômeno procurado há muito que permite a supercondutividade sobreviver mesmo em campos magnéticos muito fortes, foi visto pela primeira vez por uma equipe internacional de físicos. O “estado FFLO” da supercondutividade envolve a formação de entidades quânticas exóticas conhecidas como estados ligados de Andreev. Além de proporcionar uma visão mais aprofundada da supercondutividade, a descoberta também pode aprimorar nossa compreensão da física de partículas e estrelas de nêutrons, e até mesmo melhorar os sistemas de ressonância magnética (MRI).

        Supercondutividade e magnetismo são geralmente inimigos jurados. Supercondutores expulsam fracos campos magnéticos que passam através de um condutor normal, enquanto um campo magnético forte o suficiente destrói a supercondutividade. A supercondutividade convencional ocorre quando as vibrações em uma estrutura cristalina permite que os elétrons se liguem em conjuntos formando pares de Cooper que fluem através do material sem resistência. Os elétrons em cada par têm valores opostos do momento angular de spin - um com spin-up, outro com spin-down. No entanto, um forte campo magnético direciona os spins dos elétrons num mesmo sentido, perturbando o equilíbrio, destruindo os pares de Cooper e a própria supercondutividade.

Pares de elétrons não correspondentes

Contudo, em 1964, dois pares de físicos - Peter Fulde e Richard Ferrell, ao lado de Anatoly Larkin e Yuri Ovchinnikov - previram que certos materiais devem superconduzir, mesmo na presença de campos magnéticos muito fortes. Esse estado FFLO iria ocorrer como resultado dos pares de elétrons não combinados - tendo um momento angular finito em vez de zero – reunindo-se em bandas através de todo o material, fora do qual as correntes supercondutoras ainda poderiam fluir.

Elétrons não ligados fluindo com o estado FFLO

Nos últimos 50 anos, muitos grupos têm tentado testar essa ideia experimentalmente, e alguns têm encontrado evidências indiretas do estado FFLO - principalmente pela medição das propriedades macroscópicas de supercondutores para criar diagramas de fase detalhados dos materiais. Rolf Lortz e seus colegas da Universidade de Hong Kong, por exemplo, identificaram uma nova fase entre o supercondutor e as fases normais no composto orgânico κ-(BEDT-TTF)₂Cu(NCS)₂, que interpretaram como sendo o estado FFLO e que, eles descobriram, impulsionou o limite magnético (campo crítico H_C) de 21 T para quase 30 T.

        No mais recente trabalho, Vesna Mitrović da Universidade Brown nos EUA, e colegas do Japão e do laboratório francês French National High Magnetic Field Laboratory (LNCMI) em Grenoble, encontraram evidências do estado FFLO em escala microscópica. A pesquisa explora o espectro de energia dos elétrons desemparelhados de um supercondutor, que têm uma energia mais elevada do que a variedade emparelhada. Este gap de energia tem um valor único ao longo de uma amostra de um supercondutor convencional, mas sua variação é prevista de uma região à outra dentro de um material na fase FFLO.

Quasepartículas supercondutoras

Mitrović e colegas observaram regiões dentro de folhas muito finas de κ-(BEDT-TTF)₂Cu(NCS)₂, onde o gap de energia vai a zero. Essas são regiões onde elétrons emparelhados e desemparelhados têm a mesma energia, e onde, portanto, é energicamente possível existirem elétrons desemparelhados. Estes elétrons desemparelhados são a melhor ideia de como “quasepartículas”, que existem em superposições quânticas complexas com tudo à sua volta, e, ao contrário de elétrons normais, podem superconduzir. Especificamente, os pesquisadores procuraram quasepartículas conhecidas como estados ligados de Andreev, que se assemelham a elétrons normais, cujos spins apontam na direção de um campo magnético aplicado.

        O experimento foi realizado no LNCMI, onde a ressonância magnética nuclear (RMN) foi usada para confirmar duas propriedades esperadas dos estados ligados de Andreev - e, portanto, a presença da fase de estado FFLO. A primeira, e mais importante, envolveu medir o tempo que levou para os elétrons mudarem sua rotação quando exposto a fortes campos magnéticos, uma característica que reflete o espectro de energia dos elétrons em toda a amostra. A segunda propriedade requer medidas da distribuição de spins dentro do material.

“Outros grupos têm realizado impressionante e importante trabalho, mostrando que em um alto campo magnético você entra em um novo estado”, diz Mitrović. “Mas eles não poderiam dizer com o que esse estado se parece. O objetivo do nosso trabalho foi olhar, e o que vemos é realmente muito impressionante.” Ela acrescenta que o trabalho pode vir a ser importante fora da física da matéria condensada, porque poderia ajudar os físicos de partículas identificarem uma forma de supercondutividade que envolve quarks com sabor desequilibrado, e em astrofísica poderia explicar como estrelas de nêutrons podem apresentar supercondutividade e ao mesmo tempo gerar enormes campos magnéticos.

Melhores sistemas de ressonância magnética

Lortz diz que a pesquisa fornece “um tipo diferente de importantes informações” ao obtido pelo seu grupo. Ele acrescenta que, em princípio, poderia levar à criação de ímãs supercondutores mais poderosos para sistemas de ressonância magnética porque o estado supercondutor persiste a campos mais altos. Enquanto o κ-(BEDT-TTF)₂Cu(NCS)₂ não é apropriado para fazer ímãs, Lortz acrescenta que a fase FFLO pode ser observada em materiais mais adequados no futuro.

Ted Forgan, da Universidade de Birmingham, que observou o estado FFLO no supercondutor CeCoIn₅, diz que os resultados são “muito convincentes”. Mas ele ressalta que a RMN, ao fornecer dados microscópicos, não mostra a variação espacial diretamente. “Talvez a técnica high-field scanning tunnelling microscopy poderia mostrar um estado espacialmente modulado”, diz ele.

A pesquisa foi publicada na revista Nature Physics.

Fonte1: http://physicsworld.com/cws/article/news/2014/oct/29/superconductor-finally-goes-with-the-fflo

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3121.html