Cientistas utilizaram o microscópio SNOM terahertz para detectar falhas em circuitos de computação quântica, especificamente no nano Josephson Junction. Abordar esses defeitos é essencial para otimizar as capacidades de processamento mais rápidas da computação quântica.

Pesquisadores usaram uma nova ferramenta para ajudar a melhorar um componente-chave em circuitos de computação quântica produzidos comercialmente. A equipe de cientistas do Laboratório Nacional de Ames do Departamento de Energia dos EUA, em parceria com o Superconducting Quantum Materials and Systems Center (SQMS), um Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica liderado pelo Fermilab, usou o microscópio SNOM terahertz, desenvolvido originalmente no Ames Lab, para investigar a interface e conectividade de um nano Josephson Junction (JJ).

O JJ, um componente-chave em computadores quânticos supercondutores, foi fabricado pela Rigetti Computing, uma parceira da SQMS. O JJ gera efetivamente um sistema de dois níveis em uma temperatura criogênica muito baixa que produz um bit quântico. As imagens obtidas com o microscópio terahertz revelaram uma fronteira defeituosa na junção nano que causa uma interrupção na condutividade e representa um desafio para produzir tempos de coerência longos necessários para a computação quântica.

Compreendendo os Qubits

Computadores quânticos consistem em bits quânticos ou qubits. Os qubits funcionam de forma semelhante aos bits em um computador digital. Bits são a menor unidade de dados que um computador pode processar e armazenar. Bits são binários, o que significa que existem apenas dois estados possíveis em que podem existir, 0 ou 1. Qubits, no entanto, existem tanto como 0 quanto como 1 simultaneamente em seu estado quântico, o que permite que os computadores quânticos processem mais informações mais rapidamente do que os computadores comumente usados hoje em dia.

Qubits melhores em um computador quântico residem em entender a função de um nano Josephson Junction (JJ), o componente examinado pela equipe. Jigang Wang, um cientista do Ames Lab e líder da equipe de pesquisa, explicou que esse JJ facilita o fluxo de supercorrente através do circuito em temperatura criogênica, o que possibilita que os qubits existam em seu estado quântico. É importante que esse fluxo permaneça uniforme e não dissipativo para manter o sistema coerente.

Desafios e Avanços

“Os componentes estruturais complexos nos circuitos quânticos geralmente levam a concentração local de campo elétrico, o que causa dispersão e dissipação de energia e, em última análise, decoerência”, explicou Wang. “Então, a pergunta para o atual negócio de computação quântica é como mitigar a decoerência.”

Wang e sua equipe usaram um microscópio óptico de varredura de campo próximo terahertz (SNOM) desenvolvido anteriormente no Ames Lab para tirar imagens do JJ sob acoplamento de campo eletromagnético. Esse microscópio usa uma ponta especial que melhora a resolução do microscópio para a escala nanométrica, quase sem tocar ou afetar de qualquer forma o componente da junção. Usando esse microscópio, a equipe registrou imagens do JJ. Se o componente da junção for fabricado corretamente, as imagens resultantes mostrarão um campo elétrico consistente em todo o componente. No entanto, o que a equipe descobriu foi uma desconexão entre duas partes da junção (veja a imagem acima).

Wang explicou que essa descoberta foi importante por dois motivos. Primeiro, identificou um problema com a fabricação do JJ, que a Rigetti agora pode resolver, melhorando assim a qualidade do circuito quântico. Em segundo lugar, prova que o microscópio terahertz desenvolvido no Ames Lab é uma ferramenta útil para triagem de alto rendimento de componentes de circuitos quânticos.

“Esta pesquisa demonstra que este terahertz SNOM é uma ferramenta ideal que podemos usar para visualizar a distribuição heterogênea de campo elétrico”, disse Wang. “E isso permite uma identificação não destrutiva e sem contato das fronteiras efetivas nessa junção nano. É extremamente preciso na escala nanométrica.”

Capacidades do Microscópio e Metas Futuras

Circuitos quânticos normalmente operam nessas temperaturas criogênicas extremamente baixas. A equipe de Wang demonstrou anteriormente que o microscópio terahertz SNOM pode funcionar em temperaturas extremamente baixas, “Então, o objetivo final desta pesquisa é continuar a empurrar essa máquina SNOM terahertz criogênica extrema para ser capaz de atingir essa temperatura ultra baixa para ser capaz de acompanhar o tunelamento de supercorrente em tempo real e em espaço real de um qubit funcionando”, disse ele.

Wang enfatizou que os avanços neste projeto não seriam possíveis se o Ames Lab não fosse membro da comunidade SQMS. “Foi realmente um privilégio trabalhar com eles e contribuir como uma comunidade para fazer as coisas avançarem. Foi preciso uma aldeia para realmente resolver esse tipo de problema tecnológico e científico muito complexo. E tem sido realmente, realmente importante ter essa equipe versátil”, disse Wang. “Também estou muito feliz que, como parte do Ames Lab, estamos contribuindo para o centro SQMS e a iniciativa quântica nacional de maneira importante.”

Referência: “Visualizando campos de dipolo heterogêneos por acoplamento de luz terahertz em nano-junções individuais” de Richard H. J. Kim, Joong M. Park, Samuel Haeuser, Chuankun Huang, Di Cheng, Thomas Koschny, Jinsu Oh, Cameron Kopas, Hilal Cansizoglu, Kameshwar Yadavalli, Josh Mutus, Lin Zhou, Liang Luo, Matthew J. Kramer e Jigang Wang, 22 de junho de 2023, Communications Physics.

DOI: 10.1038/s42005-023-01259-0