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Os cientistas decodificam o perfil químico dos óxidos de superfície de tântalo para entender a perda e melhorar o desempenho do qubit

Laboratório Nacional DOE/Brookhaven

imagem: Óxido de tântalo (TaOx) sendo caracterizado usando espectroscopia de fotoelétrons de raios-xVeja mais

Crédito: Laboratório Nacional de Brookhaven

UPTON, NY—Seja fazendo um bolo, construindo uma casa ou desenvolvendo um dispositivo quântico, a qualidade do produto final depende significativamente de seus ingredientes ou materiais de base. Pesquisadores que trabalham para melhorar o desempenho de qubits supercondutores, a base dos computadores quânticos, têm experimentado o uso de diferentes materiais de base em um esforço para aumentar o tempo de vida coerente dos qubits. O tempo de coerência é uma medida de quanto tempo um qubit retém informações quânticas e, portanto, uma medida primária de desempenho. Recentemente, os cientistas descobriram que o uso de tântalo em qubits supercondutores faz com que eles tenham um desempenho melhor, mas ninguém foi capaz de determinar o porquê – até agora.

Cientistas do Center for Functional Nanomaterials (CFN), da National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), do Co-design Center for Quantum Advantage (C2QA) e da Universidade de Princeton investigaram os motivos fundamentais pelos quais esses qubits funcionam melhor decodificando o perfil químico do tântalo. Os resultados deste trabalho, que foram publicados recentemente na revista Advanced Science, fornecerão conhecimentos essenciais para projetar qubits ainda melhores no futuro. CFN e NSLS-II são Departamento de Energia dos EUA (DOE) Office of Science User Facilities no Brookhaven National Laboratory do DOE. O C2QA é um centro nacional de pesquisa em ciência da informação quântica liderado por Brookhaven, do qual a Universidade de Princeton é um parceiro importante.

O tântalo é um metal único e versátil. É denso, duro e fácil de trabalhar. O tântalo também tem um alto ponto de fusão e é resistente à corrosão, tornando-o útil em muitas aplicações comerciais. Além disso, o tântalo é um supercondutor, o que significa que não possui resistência elétrica quando resfriado a temperaturas suficientemente baixas e, consequentemente, pode transportar corrente sem perda de energia.

Os qubits supercondutores baseados em tântalo demonstraram tempos de vida recordes de mais de meio milissegundo. Isso é cinco vezes mais do que a vida útil dos qubits feitos com nióbio e alumínio, que atualmente são implantados em processadores quânticos de grande escala.

Essas propriedades tornam o tântalo um excelente material candidato para a construção de qubits melhores. Ainda assim, o objetivo de melhorar os computadores quânticos supercondutores foi prejudicado pela falta de compreensão sobre o que está limitando o tempo de vida dos qubits, um processo conhecido como decoerência. Ruído e fontes microscópicas de perda dielétrica são geralmente considerados como contribuintes; no entanto, os cientistas não sabem exatamente por que e como.

“O trabalho neste artigo é um dos dois estudos paralelos com o objetivo de abordar um grande desafio na fabricação de qubits”, explicou Nathalie de Leon, professora associada de engenharia elétrica e de computação na Universidade de Princeton e líder de materiais do C2QA. "Ninguém propôs um modelo microscópico e atomístico para a perda que explique todo o comportamento observado e depois foi capaz de mostrar que seu modelo limita um determinado dispositivo. Isso requer técnicas de medição precisas e quantitativas, bem como análise de dados sofisticada."

Para obter uma imagem melhor da fonte de decoerência qubit, cientistas de Princeton e CFN cultivaram e processaram quimicamente filmes de tântalo em substratos de safira. Eles então levaram essas amostras para as linhas de luz suave e macia de espectroscopia (SST-1 e SST-2) em NSLS-II para estudar o óxido de tântalo que se formou na superfície usando espectroscopia de fotoelétrons de raios-x (XPS). O XPS usa raios-x para expulsar elétrons da amostra e fornece pistas sobre as propriedades químicas e o estado eletrônico dos átomos próximos à superfície da amostra. Os cientistas levantaram a hipótese de que a espessura e a natureza química dessa camada de óxido de tântalo desempenharam um papel na determinação da coerência do qubit, já que o tântalo tem uma camada de óxido mais fina em comparação com o nióbio mais comumente usado em qubits.