Novas dimensões na computação quântica partículas de Majorana tornam-se 2D

Pesquisadores da QuTech criaram partículas Majorana em um plano bidimensional, desenvolvendo dispositivos que utilizam supercondutores e semicondutores, permitindo experimentos anteriormente inacessíveis. Este avanço pode levar a qubits Majorana estáveis ​​e topologicamente protegidos, beneficiando significativamente a computação quântica.

Pesquisadores inovaram um método 2D para produção de partículas Majorana, com o objetivo de melhorar a computação quântica com qubits estáveis ​​e eficientes.

Pesquisadores da QuTech descobriram um método para criar partículas de Majorana dentro de um plano bidimensional. Eles conseguiram isso projetando dispositivos que utilizam as propriedades sinérgicas dos supercondutores e

semicondutores

Semicondutores são um tipo de material que possui condutividade elétrica entre a de um condutor (como o cobre) e a de um isolante (como a borracha). Os semicondutores são usados ​​em uma ampla gama de dispositivos eletrônicos, incluindo transistores, diodos, células solares e circuitos integrados. A condutividade elétrica de um semicondutor pode ser controlada adicionando impurezas ao material por meio de um processo denominado dopagem. O silício é o material mais utilizado para dispositivos semicondutores, mas outros materiais, como arsenieto de gálio e fosfeto de índio, também são usados ​​em certas aplicações.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">semicondutores. A versatilidade desta nova plataforma 2D permite experimentos anteriormente inatingíveis envolvendo Majoranas. As descobertas são detalhadas na revista Natureza. Os computadores quânticos operam de maneira fundamentalmente diferente dos computadores clássicos. Enquanto os computadores clássicos usam bits como unidade básica de informação, que pode ser 0 ou 1, os computadores quânticos usam qubits, que podem existir no estado 0, 1 ou ambos simultaneamente. Este princípio de superposição, combinado com novos algoritmos quânticos, poderia permitir que os computadores quânticos resolvessem certos problemas com muito mais eficiência do que os computadores clássicos. No entanto, os qubits que armazenam esta informação quântica são inerentemente mais frágeis que os bits clássicos.

Qubits inerentemente estáveis

Os qubits de Majorana são baseados em estados da matéria que são protegidos topologicamente. Isto significa que pequenas perturbações locais não podem destruir o estado do qubit. Esta robustez às influências externas torna os qubits de Majorana altamente desejáveis ​​para

Computação quântica

Realização de computação usando fenômenos da mecânica quântica, como superposição e emaranhamento.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">computação quânticauma vez que a informação quântica codificada nesses estados permaneceria estável por tempos significativamente mais longos.

Partículas de Majorana em duas dimensões

A produção de um qubit Majorana completo requer várias etapas. A primeira delas é a capacidade de projetar Majoranas de maneira confiável e de demonstrar que elas realmente possuem as propriedades especiais que as tornam candidatas promissoras a qubits. Anteriormente, pesquisadores da QuTech – uma colaboração entre a TU Delft e a TNO – usaram um nanofio unidimensional para demonstrar uma nova abordagem para o estudo de Majoranas, criando uma cadeia Kitaev. Nesta abordagem, uma cadeia de pontos quânticos semicondutores é conectada por meio de supercondutores para produzir Majoranas. A extensão deste resultado a duas dimensões tem várias implicações importantes. O primeiro autor, Bas ten Haaf, explica: “Ao implementar a cadeia Kitaev em duas dimensões, mostramos que a física subjacente é universal e independente de plataforma.” Seu colega e coautor Qingzheng Wang acrescenta: “Dados os desafios de longa data com a reprodutibilidade na pesquisa de Majorana, nossos resultados são realmente encorajadores”.

Rota em direção aos qubits de Majorana

A capacidade de criar cadeias de Kitaev em sistemas bidimensionais abre vários caminhos para futuras pesquisas de Majorana. O investigador principal Srijit Goswami explica: “Acredito que estamos agora numa posição em que podemos fazer física interessante com Majoranas, a fim de sondar as suas propriedades fundamentais. Por exemplo, podemos aumentar o número de sítios na cadeia Kitaev e estudar sistematicamente a proteção das partículas de Majorana. A longo prazo, a flexibilidade e escalabilidade da plataforma 2D deverá permitir-nos pensar em estratégias concretas para criar redes de Majoranas e integrá-las com elementos auxiliares necessários para o controlo e leitura de um qubit de Majorana.” Referência: “Uma cadeia Kitaev de dois locais em um gás de elétrons bidimensional” por Sebastiaan LD ten Haaf, Qingzhen Wang, A. Mert Bozkurt, Chun-Xiao Liu, Ivan Kulesh, Philip Kim, Di Xiao, Candice Thomas, Michael J. Manfra, Tom Dvir, Michael Wimmer e Srijit Goswami, 12 de junho de 2024, Natureza. DOI: 10.1038/s41586-024-07434-9

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Do pó branco comum à inovação quântica desbloqueando Qubits quase silenciosos

Pesquisadores liderados pela professora Giulia Gall da Escola de Engenharia Molecular da UChicago Pritzker, juntamente com colaboradores na Suécia, usaram abordagens teóricas e computacionais para descobrir como defeitos no óxido de cálcio simples podem produzir qubits com um punhado de propriedades promissoras. Crédito: Escola de Engenharia Molecular UChicago Pritzker / Peter Allen, editado

Os pesquisadores descobriram que os átomos de bismuto incorporados no óxido de cálcio podem funcionar como qubits para computadores quânticos, fornecendo uma alternativa de baixo ruído, durável e barata aos materiais atuais. Este estudo inovador destaca seu potencial para transformar

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Realização de computação usando fenômenos da mecânica quântica, como superposição e emaranhamento.

O óxido de cálcio é um composto químico barato e calcário, frequentemente usado na fabricação de cimento, gesso, papel e aço. No entanto, o material comum poderá em breve ter uma aplicação mais de alta tecnologia. Os cientistas usaram abordagens teóricas e computacionais para descobrir como átomos minúsculos e solitários de bismuto incorporados no óxido de cálcio sólido podem atuar como qubits – os blocos de construção de computadores quânticos e dispositivos de comunicação quântica. Esses qubits foram descritos por

Universidade de Chicago

Fundada em 1890, a Universidade de Chicago (UChicago, U of C ou Chicago) é uma universidade privada de pesquisa em Chicago, Illinois. Localizada em um campus de 217 acres no bairro de Hyde Park, em Chicago, perto do Lago Michigan, a escola ocupa as dez primeiras posições em vários rankings nacionais e internacionais. UChicago também é conhecida por suas escolas profissionais: Pritzker School of Medicine, Booth School of Business, Law School, School of Social Service Administration, Harris School of Public Policy Studies, Divinity School e Graham School of Continuing Liberal and Professional Studies, e Escola Pritzker de Engenharia Molecular.

Universidade de Chicago Pesquisadores da Escola Pritzker de Engenharia Molecular e seu colaborador na Suécia em 6 de junho na revista científica Nature Communications. “Este sistema tem propriedades ainda melhores do que esperávamos”, disse Giulia Galli, professora da família Liew na Pritzker Molecular Engineering and Chemistry e autora sênior do novo trabalho. “Ele tem um nível de ruído incrivelmente baixo, pode reter informações por muito tempo e não é feito com um material sofisticado e caro.”

O óxido de cálcio, também conhecido como cal virgem, é um composto químico branco, cáustico e alcalino derivado de calcário e outros materiais ricos em cálcio. É utilizado principalmente na produção de cimento e argamassa, bem como na siderurgia, no tratamento de água e na fabricação de vidro, cerâmica e papel. Quando misturado com água, reage exotérmicamente para formar hidróxido de cálcio, comumente conhecido como cal apagada.

Avanços no desenvolvimento Qubit

Um bit quântico, ou qubit, é a unidade básica de informação que codifica dados na computação quântica. Hoje, os pesquisadores desenvolveram muitos tipos diferentes de qubits, que geralmente são compostos de pequenos defeitos pontuais em materiais semicondutores. Algumas das propriedades desses defeitos podem ser usadas para armazenar informações. No entanto, muitos qubits existentes são incrivelmente frágeis; O “ruído” eletrônico ou magnético em seu entorno pode alterar suas propriedades, apagando qualquer informação que tenha sido codificada dentro deles. Em 2022, uma colaboração entre cientistas do Japão e os grupos de David Awschalom e Galli simulou as propriedades de mais de 12.000 materiais para descobrir novos sólidos potenciais que poderiam conter defeitos promissores agindo como qubits. Aquele trabalho revelou o óxido de cálcio como um dos vários materiais com potencial para conter qubits que codificam informações com níveis de ruído muito baixos por um período de tempo especialmente longo.

Descobrindo novos materiais quânticos

“Nosso trabalho anterior nos disse que se você encontrar os defeitos certos para colocar em sua estrutura, o óxido de cálcio seria um meio perfeito para armazenar informações quânticas”, disse Nikita Onizhuk, pós-doutoranda no grupo Galli e uma das autoras do estudo. papel. “Portanto, nosso novo objetivo era encontrar o defeito ideal.” No novo artigo, Galli e seus colegas usaram uma série de métodos computacionais que foram estabelecidos nos últimos anos para rastrear mais de 9.000 defeitos diferentes no óxido de cálcio quanto ao seu potencial como qubits. Os resultados apontaram para um tipo de defeito – no qual um antimônio, bismuto ou iodo

átomo

Um átomo é o menor componente de um elemento. É composto de prótons e nêutrons dentro do núcleo e elétrons circulando o núcleo.

O atom está incorporado na estrutura usual de cálcio e oxigênio que constitui o óxido de cálcio.

“Ele tem um nível de ruído incrivelmente baixo, pode reter informações por muito tempo e não é feito com um material sofisticado e caro.” - Profª Giulia Galli

“Nunca poderíamos ter imaginado que estes defeitos exatos seriam tão promissores”, disse Joel Davidsson, da Universidade de Linköping, o primeiro autor do artigo e principal desenvolvedor da abordagem de alto rendimento usada para descobrir novos defeitos de spin. “A única maneira de fazer isso era com procedimentos de triagem completos e imparciais.” A equipe de Galli mostrou então, por meio de suas abordagens de modelagem, que o defeito de bismuto no óxido de cálcio pode, teoricamente, codificar dados com pouco ruído e por períodos de tempo relativamente longos (vários segundos em comparação com os milissegundos de coerência mostrados por muitos qubits). Ele também tem potencial para combinar bem com dispositivos de telecomunicações devido ao índice de refração do material e à sua capacidade de emitir fótons de luz. Galli e colaboradores estão agora a trabalhar com grupos experimentais que podem construir materiais à base de óxido de cálcio e testar se as previsões são verdadeiras. “Estamos nos estágios iniciais, mas do ponto de vista da ciência fundamental, achamos que este material é muito promissor”, disse Galli. Referência: “Descoberta de defeitos de spin semelhantes a relógios atômicos em óxidos simples a partir dos primeiros princípios” por Joel Davidsson, Mykyta Onizhuk, Christian Vorwerk e Giulia Galli, 6 de junho de 2024, Comunicações da Natureza. DOI: 10.1038/s41467-024-49057-8 Financiamento: Este trabalho foi apoiado pelo Centro Sueco de Pesquisa em Ciência Eletrônica (SeRC), pela Fundação Knut e Alice Wallenberg, pelo Conselho Sueco de Pesquisa, uma bolsa de doutorado do Google e o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea.

https://w3b.com.br/do-po-branco-comum-a-inovacao-quantica-desbloqueando-qubits-quase-silenciosos/?feed_id=14484&_unique_id=671e9befef41e

Lasers de femtosegundo lideram a revolução da computação quântica

Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley desenvolveram um método usando um laser de femtosegundo e dopagem de hidrogênio para criar e controlar qubits em silício, revolucionando potencialmente a computação quântica ao permitir o posicionamento preciso de qubits e a conectividade para redes quânticas escaláveis ​​e a Internet quântica. Crédito: SciTechDaily.com

A nova técnica do Berkeley Lab usa lasers de femtosegundo e hidrogênio para criar com precisão qubits em silício, avançando nas perspectivas de escalabilidade

Computação quântica

Realização de computação usando fenômenos da mecânica quântica, como superposição e emaranhamento.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">computação quântica e redes.

• Pesquisadores do Berkeley Lab relataram um grande avanço que poderia nos aproximar de um computador quântico escalável.
• Usando um laser de femtosegundo durante experimentos que exploram o papel do hidrogênio na formação de qubits, os pesquisadores desenvolveram um método que programa a formação de qubits ópticos de banda de telecomunicações em silício para fabricação em larga escala.
• A técnica poderia permitir computadores quânticos escaláveis ​​do futuro, com base na atual infraestrutura de computação baseada em silício.

Kaushalya Jhuria no laboratório testando os componentes eletrônicos que fazem parte da configuração experimental usada para fazer qubits em silício. Crédito: Thor Swift/Berkeley Lab

Potencial e desafios da computação quântica

Os computadores quânticos têm o potencial de resolver problemas complexos de saúde humana, descoberta de medicamentos e

inteligência artificial

Inteligência Artificial (IA) é um ramo da ciência da computação focado na criação de sistemas que podem executar tarefas que normalmente requerem inteligência humana. Essas tarefas incluem compreender a linguagem natural, reconhecer padrões, resolver problemas e aprender com a experiência. As tecnologias de IA usam algoritmos e grandes quantidades de dados para treinar modelos que podem tomar decisões, automatizar processos e melhorar ao longo do tempo por meio do aprendizado de máquina. As aplicações da IA ​​são diversas, impactando campos como saúde, finanças, automotivo e entretenimento, mudando fundamentalmente a forma como interagimos com a tecnologia.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">inteligência artificial milhões de vezes mais rápido do que alguns dos supercomputadores mais rápidos do mundo. Uma rede de computadores quânticos poderia avançar essas descobertas ainda mais rapidamente. Mas antes que isso aconteça, a indústria da informática precisará de uma forma confiável de encadear bilhões de qubits – ou bits quânticos – com precisão atômica. Conectar qubits, no entanto, tem sido um desafio para a comunidade de pesquisa. Alguns métodos formam qubits colocando uma pastilha de silício inteira em um forno de recozimento rápido em temperaturas muito altas. Com esses métodos, qubits se formam aleatoriamente a partir de defeitos (também conhecidos como centros de cores ou emissores quânticos) na rede cristalina do silício. E sem saber exatamente onde os qubits estão localizados em um material, será difícil realizar um computador quântico de qubits conectados.

Avanços na criação e controle de Qubit

Mas agora, em breve será possível conectar qubits. Uma equipe de pesquisa liderada pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) diz que eles são os primeiros a usar um laser de femtosegundo para criar e “aniquilar” qubits sob demanda, e com precisão, dopando silício com hidrogênio. O avanço poderia permitir computadores quânticos que usam qubits ópticos programáveis ​​ou “spin-

fóton

Um fóton é uma partícula de luz. É a unidade básica da luz e de outras radiações eletromagnéticas e é responsável pela força eletromagnética, uma das quatro forças fundamentais da natureza. Os fótons não têm massa, mas têm energia e momento. Eles viajam à velocidade da luz no vácuo e podem ter diferentes comprimentos de onda, que correspondem a diferentes cores de luz. Os fótons também podem ter energias diferentes, que correspondem a diferentes frequências de luz.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">fóton qubits” para conectar nós quânticos em uma rede remota. Também poderia promover uma Internet quântica que não só fosse mais segura, mas também pudesse transmitir mais dados do que as atuais tecnologias de informação de fibra óptica.

“Isso poderia abrir um novo caminho potencial para a indústria superar os desafios na fabricação de qubit e no controle de qualidade.” – Thomas Schenkel, cientista sênior, Divisão de Tecnologia de Aceleradores e Física Aplicada

Visão para uma arquitetura quântica escalável

“Para criar uma arquitetura ou rede quântica escalável, precisamos de qubits que possam se formar de forma confiável sob demanda, em locais desejados, para que possamos saber onde o qubit está localizado em um material. E é por isso que nossa abordagem é crítica”, disse Kaushalya Jhuria, pós-doutorado na Divisão de Tecnologia de Aceleradores e Física Aplicada (ATAP) do Berkeley Lab. Ela é a primeira autora de um novo estudo que descreve a técnica na revista Nature Communications. “Porque, uma vez que sabemos onde um qubit específico está localizado, podemos determinar como conectar esse qubit a outros componentes do sistema e criar uma rede quântica.” “Isso poderia abrir um novo caminho potencial para a indústria superar os desafios na fabricação de qubit e controle de qualidade”, disse o investigador principal Thomas Schenkel, chefe do Programa de Ciência de Fusão e Tecnologia de Feixe de Íons na Divisão ATAP do Berkeley Lab. Seu grupo hospedará o primeiro grupo de estudantes da Universidade do Havaí em junho, como parte de um projeto RENEW financiado pela DOE Fusion Energy Sciences sobre desenvolvimento de força de trabalho, onde os alunos estarão imersos na ciência e tecnologia do centro de cores/qubit.

Formando Qubits em Silício com Controle Programável

O novo método usa um ambiente gasoso para formar defeitos programáveis ​​chamados “centros de cores” no silício. Esses centros de cores são candidatos a qubits especiais de telecomunicações ou “qubits de fótons giratórios”. O método também usa um laser de femtosegundo ultrarrápido para recozer o silício com precisão exata onde esses qubits devem se formar com precisão. Um laser de femtosegundo fornece pulsos muito curtos de energia dentro de um quatrilionésimo de segundo para um alvo focado do tamanho de uma partícula de poeira. Qubits de fótons giratórios emitem fótons que podem transportar informações codificadas no spin do elétron por longas distâncias – propriedades ideais para apoiar uma rede quântica segura. Qubits são os menores componentes de um sistema de informação quântica que codifica dados em três estados diferentes: 1, 0 ou uma superposição que é tudo entre 1 e 0. Com a ajuda de Boubacar Kanté, cientista da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor de engenharia elétrica e ciências da computação (EECS) na UC Berkeley, a equipe usou um detector infravermelho próximo para caracterizar os centros de cores resultantes, sondando sua óptica (fotoluminescência ) sinais. O que eles descobriram os surpreendeu: um emissor quântico chamado centro Ci. Devido à sua estrutura simples, estabilidade à temperatura ambiente e propriedades de spin promissoras, o centro Ci é um interessante candidato a qubit de fóton de spin que emite fótons na banda de telecomunicações. “Sabíamos pela literatura que Ci pode ser formado em silício, mas não esperávamos realmente fazer esse novo candidato a qubit de fóton de spin com nossa abordagem”, disse Jhuria.

Uma representação artística de um novo método para criar centros de cores (qubits) de alta qualidade em silício em locais específicos usando pulsos de laser ultrarrápidos (femtosegundo ou um quatrilionésimo de segundo). A inserção no canto superior direito mostra um sinal óptico observado experimentalmente (fotoluminescência) dos qubits, com suas estruturas exibidas na parte inferior. Crédito: Kaushalya Jhuria/Berkeley Lab

Direções Potenciais e Futuras

Os pesquisadores aprenderam que o processamento de silício com baixa intensidade de laser de femtosegundo na presença de hidrogênio ajudou a criar os centros de cores Ci. Outras experiências mostraram que aumentar a intensidade do laser pode aumentar a mobilidade do hidrogênio, que passiva os centros de cores indesejáveis ​​sem danificar a rede de silício, explicou Schenkel. Uma análise teórica realizada por Liang Tan, cientista da equipe da Molecular Foundry do Berkeley Lab, mostra que o brilho do centro de cor Ci é aumentado em várias ordens de grandeza na presença de hidrogênio, confirmando suas observações em experimentos de laboratório. “Os pulsos de laser de femtosegundo podem expulsar átomos de hidrogênio ou trazê-los de volta, permitindo a formação programável de qubits ópticos desejados em locais precisos”, disse Jhuria. A equipe planeja usar a técnica para integrar qubits ópticos em dispositivos quânticos, como cavidades reflexivas e guias de onda, e para descobrir novos candidatos a qubits de fótons de spin com propriedades otimizadas para aplicações selecionadas. “Agora que podemos criar centros de cores de maneira confiável, queremos fazer com que diferentes qubits se comuniquem entre si – o que é uma personificação do emaranhamento quântico – e ver quais deles têm o melhor desempenho. Este é apenas o começo”, disse Jhuria. “A capacidade de formar qubits em locais programáveis ​​em um material como o silício que está disponível em escala é um passo emocionante em direção a redes e computação quânticas práticas”, disse Cameron Geddes, Diretor da Divisão ATAP. Referência: “Formação de emissor quântico programável em silício” por K. Jhuria, V. Ivanov, D. Polley, Y. Zhiyenbayev, W. Liu, A. Persaud, W. Redjem, W. Qarony, P. Parajuli, Q. Ji , AJ Gonsalves, J. Bokor, LZ Tan, B. Kanté e T. Schenkel, 27 de maio de 2024, Comunicações da Natureza. DOI: 10.1038/s41467-024-48714-2

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A revolucionária tecnologia Qubit

Os pesquisadores estão avançando na computação quântica desenvolvendo qubits baseados no spin de elétrons e buracos, com descobertas recentes na Universidade de Basel mostrando interações controladas entre qubits usando spins de buracos. Esses avanços sugerem um futuro promissor para computadores quânticos eficientes e escalonáveis ​​que usam a tecnologia de silício existente.

Avanços na tecnologia qubit na Universidade de Basel mostram promessa de escalabilidade

Computação quântica

Realização de computação usando fenômenos da mecânica quântica, como superposição e emaranhamento.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">computação quânticausando spins de elétrons e buracos para obter controle e interações precisas de qubits. A busca por um computador quântico prático está a todo vapor, com pesquisadores de todo o mundo explorando uma ampla gama de tecnologias qubit. Apesar dos extensos esforços, ainda não há consenso sobre qual tipo de qubit maximiza melhor o potencial da ciência da informação quântica. Qubits são a base de um computador quântico. Eles são responsáveis ​​por processar, transferir e armazenar dados. Qubits eficazes devem armazenar informações de maneira confiável e processar informações rapidamente. Isso exige interações estáveis ​​e rápidas entre um grande número de qubits que sistemas externos possam controlar com precisão. Os computadores quânticos mais avançados de hoje possuem apenas algumas centenas de qubits. Isso os limita a realizar cálculos que os computadores convencionais já são capazes de realizar e que muitas vezes podem fazer com mais eficiência. Para que a computação quântica avance, os pesquisadores devem encontrar uma maneira de acomodar milhões de qubits em um único chip.

Elétrons e Buracos

Para resolver o problema de organizar e vincular milhares de qubits, pesquisadores da Universidade de Basel e do NCCR SPIN contam com um tipo de qubit que usa o spin (momento angular intrínseco) de um elétron ou de um buraco. Um buraco é essencialmente um elétron ausente em um semicondutor. Tanto os buracos quanto os elétrons possuem spin, que pode adotar um de dois estados: para cima ou para baixo, análogo a 0 e 1 nos bits clássicos. Comparado ao spin do elétron, o spin do buraco tem a vantagem de poder ser totalmente controlado eletricamente sem a necessidade de componentes adicionais, como microímãs no chip.

Dois qubits de rotação de buracos interagindo. Quando um buraco (magenta/amarelo) passa de um local para outro, seu spin (seta) gira devido ao chamado acoplamento spin-órbita, levando a interações anisotrópicas representadas pelas bolhas circundantes. Crédito: NCCR SPIN

Em 2022, os físicos da Basileia demonstrado que o buraco gira em um dispositivo eletrônico existente pode ser capturado e usado como qubits. Esses “FinFETs” (transistores de efeito de campo fin) são integrados aos smartphones modernos e são produzidos em processos industriais generalizados. Agora, uma equipe liderada pelo Dr. Andreas Kuhlmann conseguiu pela primeira vez alcançar uma interação controlável entre dois qubits dentro desta configuração.

Spin-Flip controlado rápido e preciso

Um computador quântico precisa de “portas quânticas” para realizar cálculos. Estes representam operações que manipulam os qubits e os acoplam entre si. Como relatam os pesquisadores na revista Física da Natureza, eles foram capazes de acoplar dois qubits e provocar um giro controlado de um de seus giros, dependendo do estado do giro do outro – conhecido como giro-flip controlado. “Os hole spins nos permitem criar portas de dois qubits que são rápidas e de alta fidelidade. Este princípio agora também torna possível acoplar um número maior de pares de qubits”, diz Kuhlmann. O acoplamento de dois qubits de spin é baseado em sua interação de troca, que ocorre entre duas partículas indistinguíveis que interagem entre si eletrostaticamente. Surpreendentemente, a energia de troca dos buracos não é apenas controlável eletricamente, mas também fortemente anisotrópica. Isto é uma consequência do acoplamento spin-órbita, o que significa que o estado de spin de um buraco é influenciado pelo seu movimento através do espaço. Para descrever esta observação em um modelo, físicos experimentais e teóricos da Universidade de Basel e do NCCR SPIN combinaram forças. “A anisotropia torna possíveis portas de dois qubits sem o compromisso usual entre velocidade e fidelidade”, diz Kuhlmann. “Qubits baseados em hole spins não apenas aproveitam a fabricação testada e comprovada de chips de silício, mas também são altamente escaláveis ​​e provaram ser rápidos e robustos em experimentos.” O estudo ressalta que esta abordagem tem uma grande chance na corrida para desenvolver um computador quântico em grande escala. Referência: “Interação de troca anisotrópica de dois qubits hole-spin” por Simon Geyer, Bence Hetényi, Stefano Bosco, Leon C. Camenzind, Rafael S. Eggli, Andreas Fuhrer, Daniel Loss, Richard J. Warburton, Dominik M. Zumbühl e Andreas V. Kuhlmann, 6 de maio de 2024, Física da Natureza. DOI: 10.1038/s41567-024-02481-5 https://w3b.com.br/a-revolucionaria-tecnologia-qubit/?feed_id=10287&_unique_id=670872f363a7b

A IA quântica do Google desafia teorias físicas de longa data

Os simuladores quânticos estão agora abordando problemas físicos complexos, como a dinâmica dos ímãs quânticos 1D e suas possíveis semelhanças com fenômenos clássicos como o acúmulo de neve. Pesquisas recentes confirmam alguns aspectos desta teoria, mas também destacam desafios na validação completa da classe de universalidade KPZ em sistemas quânticos. Crédito: Google LLC

Simuladores quânticos estão revelando novos insights sobre ímãs quânticos 1D, comparando sua dinâmica com fenômenos como a acumulação de neve.

Os simuladores quânticos estão avançando rapidamente e agora podem resolver problemas anteriormente confinados à física teórica e à simulação numérica. Pesquisadores do Google Quantum AI e seus colaboradores demonstraram esse novo potencial explorando a dinâmica em ímãs quânticos unidimensionais, concentrando-se especificamente em cadeias de partículas de spin-1/2. Eles investigaram um problema de mecânica estatística que tem sido o foco de atenção nos últimos anos: poderia tal ímã quântico 1D ser descrito pelas mesmas equações que a neve caindo e se aglomerando? Parece estranho que os dois sistemas estivessem conectados, mas em 2019, pesquisadores da Universidade de Ljubljana encontraram evidências numéricas impressionantes que os levaram a conjecturar que a dinâmica do spin no modelo spin-1⁄2 Heisenberg está no modelo Kardar-Parisi- Classe de universalidade Zhang (KPZ), baseada no escalonamento da função de correlação spin-spin de temperatura infinita. Simulando magnetização em uma cadeia de spin quântico de Heisenberg. Crédito: Google LLC A equação KPZ foi originalmente introduzida para descrever a dinâmica estocástica e não linear de interfaces acionadas e provou ser aplicada a uma ampla gama de sistemas clássicos, como frentes crescentes de incêndios florestais, que pertencem à classe de universalidade KPZ. Seria surpreendente se o modelo spin-1⁄2 de Heisenberg estivesse nesta classe de universalidade, conforme conjecturado pelos pesquisadores de Ljubljana, porque é linear e não estocástico, ao contrário dos outros sistemas desta classe.

Insights experimentais de simulações quânticas

Em 2022, simulações quânticas começaram a esclarecer esta questão com experimentos com átomos frios realizados por pesquisadores do Max-Planck-Institut für Quantenoptik. Ao estudar o relaxamento de um desequilíbrio inicial dos spins magnéticos, encontraram evidências experimentais em apoio a esta conjectura, que foi publicado em Ciência em 2022. Para explorar ainda mais a dinâmica de spin neste modelo, a colaboração do Google aproveitou a capacidade do seu processador quântico supercondutor para adquirir rapidamente grandes quantidades de dados experimentais, permitindo um estudo detalhado das estatísticas subjacentes. Especificamente, usando uma cadeia de 46 qubits supercondutores, eles mediram a distribuição de probabilidade de quantos spins cruzaram o centro da cadeia, uma quantidade conhecida como magnetização transferida. A média e a variância dessa distribuição apresentaram comportamento consistente com estar na classe de universalidade KPZ, em plena concordância com os achados do grupo Max-Planck-Institut. Foi somente quando examinaram cuidadosamente o terceiro (assimetria) e o quarto (curtose) momentos da magnetização transferida que encontraram desvios claros das previsões para a classe de universalidade KPZ, indicando que a conjectura não se sustenta nas escalas de tempo sondadas no experimento . Geralmente, medir a distribuição de uma variável estocástica com precisão suficiente para que os momentos mais elevados possam ser resolvidos com relação sinal-ruído suficiente é extremamente desafiador; precisa de amostragem rápida, um alto nível de controle e, para processadores quânticos, coerência quântica. Este trabalho, publicado em Ciênciarepresenta de forma excelente a atual era emocionante da simulação quântica, na qual os processadores quânticos permitem aprofundar nossa compreensão de novos fenômenos físicos. Referência: “Dinâmica de magnetização a temperatura infinita em uma cadeia de spin de Heisenberg” por E. Rosenberg, TI Andersen, R. Samajdar, A. Petukhov, JC Hoke, D. Abanin, A. Bengtsson, IK Drozdov, C. Erickson, PV Klimov, X. Mi, A. Morvan, M. Neeley, C. Neill, R. Acharya, R. Allen, K. Anderson, M. Ansmann, F. Arute, K. Arya, A. Asfaw, J. Atalaya, JC Bardin, A. Bilmes, G. Bortoli, A. Bourassa, J. Bovaird, L. Brill, M. Broughton, BB Buckley, DA Buell, T. Burger, B. Burkett, N. Bushnell, J. Campero, H .-S. Chang, Z. Chen, B. Chiaro, D. Chik, J. Cogan, R. Collins, P. Conner, W. Courtney, AL Crook, B. Curtin, DM Debroy, A. Del Toro Barba, S. Demura, A. Di Paolo, A. Dunsworth, C. Earle, L. Faoro, E. Farhi, R. Fatemi, VS Ferreira, L. Flores Burgos, E. Forati, AG Fowler, B. Foxen, G. Garcia, É. Genois, W. Giang, C. Gidney, D. Gilboa, M. Giustina, R. Gosula, A. Grajales Dau, JA Gross, S. Habegger, MC Hamilton, M. Hansen, MP Harrigan, SD Harrington, P. Heu , G. Hill, MR Hoffmann, S. Hong, T. Huang, A. Huff, WJ Huggins, LB Ioffe, SV Isakov, J. Iveland, E. Jeffrey, Z. Jiang, C. Jones, P. Juhas, D Kafri, T. Khattar, M. Khezri, M. Kieferová, S. Kim, A. Kitaev, AR Klots, AN Korotkov, F. Kostritsa, JM Kreikebaum, D. Landhuis, P. Laptev, K.-M. Lau, L. Laws, J. Lee, KW Lee, YD Lensky, BJ Lester, AT Lill, W. Liu, A. Locharla, S. Mandrà, O. Martin, S. Martin, JR McClean, M. McEwen, S Meeks, KC Miao, A. Mieszala, S. Montazeri, R. Movassagh, W. Mruczkiewicz, A. Nersisyan, M. Newman, JH Ng, A. Nguyen, M. Nguyen, MY Niu, TE O'Brien, S. Omonije, A. Opremcak, R. Potter, LP Pryadko, C. Quintana, DM Rhodes, C. Rocque, NC Rubin, N. Saei, D. Sank, K. Sankaragomathi, KJ Satzinger, HF Schurkus, C. Schuster, MJ Shearn, A. Shorter, N. Shutty, V. Shvarts, V. Sivak, J. Skruzny, W. Clarke Smith, RD Somma, G. Sterling, D. Strain, M. Szalay, D. Thor, A. Torres , G. Vidal, B. Villalonga, C. Vollgraff Heidweiller, T. White, BWK Woo, C. Xing, Z. Jamie Yao, P. Yeh, J. Yoo, G. Young, A. Zalcman, Y. Zhang, N. Zhu, N. Zobrist, H. Neven, R. Babbush, D. Bacon, S. Boixo, J. Hilton, E. Lucero, A. Megrant, J. Kelly, Y. Chen, V. Smelyanskiy, V. Khemani, S. Gopalakrishnan, T. Prosen e P. Roushan, 4 de abril de 2024, Ciência. DOI: 10.1126/science.adi7877

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Mais de 1.000 Qubits alcançados – Físicos estabelecem recorde mundial para computadores quânticos baseados em átomos

Mais de 1.000 Qubits alcançados

Os pesquisadores da TU Darmstadt desenvolveram um processador quântico com mais de 1.000 qubits atômicos, marcando um avanço significativo na escalabilidade da computação quântica. Este avanço poderia permitir a expansão futura de qubits para 10.000, melhorando diversas aplicações tecnológicas.

Um novo recorde foi estabelecido para computadores quânticos baseados em átomos.

Ampliar sistemas quânticos é essencial para o avanço

Computação quântica

Realização de computação usando fenômenos da mecânica quântica, como superposição e emaranhamento.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">computação quântica, à medida que seus benefícios se tornam mais aparentes em sistemas maiores. Os pesquisadores da TU Darmstadt fizeram progressos significativos para atingir esse objetivo. Os resultados de suas pesquisas foram agora publicados na prestigiada revista Óptica. Processadores quânticos baseados em matrizes bidimensionais de pinças ópticas, que são criados usando feixes de laser focalizados, são uma das tecnologias mais promissoras para o desenvolvimento de computação e simulação quântica que permitirão aplicações altamente benéficas no futuro. Uma gama diversificada de aplicações, desde o desenvolvimento de medicamentos até à otimização dos fluxos de tráfego, beneficiará desta tecnologia.

Avanço na tecnologia Quantum Bit

Esses processadores têm sido capazes de armazenar centenas de

átomo

Um átomo é o menor componente de um elemento. É composto de prótons e nêutrons dentro do núcleo e elétrons circulando o núcleo.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">atom sistemas quânticos até agora, em que cada átomo representa um bit quântico ou qubit como a unidade básica de informação quântica. Para avançar ainda mais, é necessário aumentar o número de qubits nos processadores. Isto foi agora conseguido por uma equipa liderada pelo Professor Gerhard Birkl do “Átomos – Fótons – Quanta”grupo de pesquisa do Departamento de Física da TU Darmstadt. Em um artigo de pesquisa, que foi publicado pela primeira vez no início de outubro de 2023 no servidor de pré-impressão arXiv e agora também foi publicado após revisão científica por pares na prestigiada revista Ópticaa equipe relata o primeiro experimento bem-sucedido do mundo para realizar uma arquitetura de processamento quântico que contém mais de 1.000 qubits atômicos em um único plano. “Estamos extremamente satisfeitos por termos sido os primeiros a quebrar a marca de 1.000 qubits atômicos controláveis ​​individualmente, porque muitos outros concorrentes de destaque estão em nosso encalço”, diz Birkl sobre seus resultados.

Métodos Inovadores e Perspectivas Futuras

Os pesquisadores conseguiram demonstrar em seus experimentos que sua abordagem de combinar os mais recentes métodos ópticos quânticos com tecnologia microóptica avançada lhes permitiu aumentar significativamente os limites atuais do número acessível de qubits. Isto foi conseguido através da introdução do novo método de “superalimentação quântica de bits”. Isso lhes permitiu superar as restrições impostas ao número de qubits utilizáveis ​​pelo desempenho limitado dos lasers. 1.305 qubits de átomo único foram carregados em uma matriz quântica com 3.000 locais de armadilha e remontados em estruturas alvo livres de defeitos com até 441 qubits. Ao utilizar várias fontes de laser em paralelo, este conceito rompeu as fronteiras tecnológicas que até agora eram consideradas quase intransponíveis. Para muitas aplicações diferentes, 1.000 qubits são vistos como o valor limite a partir do qual o aumento de eficiência prometido pelos computadores quânticos pode agora ser demonstrado pela primeira vez. Investigadores de todo o mundo têm trabalhado intensamente para serem os primeiros a ultrapassar este limiar. O trabalho de pesquisa publicado recentemente demonstra que, para qubits atômicos, esse avanço foi alcançado pela primeira vez em todo o mundo pelo grupo de pesquisa liderado pelo Professor Birkl. A publicação científica também descreve como aumentos adicionais no número de fontes de laser permitirão números de qubit de 10.000 ou mais em apenas alguns anos. Referência: “Matriz de pinça bidimensional superalimentada com mais de 1000 qubits atômicos” por Malte Schlosser, Marcel Mittenbühler, Gerhard Birkl, Lukas Sturm, Dominik Schäffner, Stephan Amann, Lars Pause e Tilman Preuschoff, 19 de fevereiro de 2024, Óptica. DOI: doi:10.1364/OPTICA.513551

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Salto quântico na estabilização de Qubits

PorTalia Ogliore, Universidade de Washington em St.29 de maio de 2024

No Center for Quantum Leaps, os pesquisadores usam a nanofabricação para criar circuitos quânticos supercondutores para explorar questões fundamentais da mecânica quântica. Eles criaram uma nova abordagem para combater a decoerência em sistemas quânticos, usando a dissipação para manter o emaranhamento quântico dentro de qubits, marcando um avanço significativo no campo da tecnologia quântica. Crédito: SciTechDaily.com

A pesquisa no Center for Quantum Leaps levou a um novo método para reduzir a decoerência em sistemas quânticos, aumentando a estabilidade e a viabilidade das tecnologias quânticas. Como parte do Center for Quantum Leaps, uma iniciativa exclusiva do plano estratégico de Artes e Ciências, o físico Kater Murch e seu grupo de pesquisa usam técnicas de nanofabricação para construir circuitos quânticos supercondutores que lhes permitem sondar questões fundamentais na mecânica quântica. Qubits são sistemas promissores para realizar esquemas quânticos para computação, simulação e criptografia de dados. Murch e seus colaboradores publicaram um novo artigo, publicado em 13 de maio em Cartas de revisão físicaque explora os efeitos da memória em sistemas quânticos e, em última análise, oferece uma nova solução para a decoerência, um dos principais problemas enfrentados pelas tecnologias quânticas. “Nosso trabalho mostra que há uma nova maneira de evitar que a decoerência corrompa o emaranhado quântico”, disse Murch, professor de física Charles M. Hohenberg na Universidade de Washington em St. “Em primeiro lugar, podemos usar a dissipação para evitar que o emaranhamento deixe nossos qubits.” Veja o vídeo ilustrado da equipe sobre as descobertas da pesquisa: Referência: “Entanglement Assisted Probe of the Non-Markovian to Markovian Transition in Open Quantum System Dynamics” por Chandrashekhar Gaikwad, Daria Kowsari, Carson Brame, Xingrui Song, Haimeng Zhang, Martina Esposito, Arpit Ranadive, Giulio Cappelli, Nicolas Roch, Eli M Levenson-Falk e Kater W. Murch, 13 de maio de 2024, Cartas de revisão física. DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.200401 Salto quântico na estabilização de Qubits1

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