Vista de la punta del microscopio exponiendo el material a la luz de terahercios. Los colores del material representan datos de dispersión de la luz y las líneas roja y azul representan ondas de terahercios. Crédito: Laboratorio Nacional Ames del Departamento de Energía de EE. UU.
Los científicos utilizaron el microscopio de terahercios SNOM para detectar fallas en circuitos de computación cuántica, específicamente en la unión nano Josephson. Abordar estos defectos es esencial para optimizar las capacidades de procesamiento más rápido de la computación cuántica.
Los investigadores han utilizado una nueva herramienta para ayudar a mejorar un componente clave en los circuitos de computación cuántica producidos comercialmente. El equipo de científicos del Laboratorio Nacional Ames del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), en asociación con el Centro de Sistemas y Materiales Cuánticos Superconductores (SQMS), un Centro Nacional de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica del DOE dirigido por Fermilab, utilizó el microscopio de terahercios SNOM, originalmente desarrollado en Ames Lab, para investigar la interfaz y la conectividad de un nano Josephson Junction (JJ).
El JJ, un componente clave en las computadoras cuánticas superconductoras, fue fabricado por Rigetti Computing, socio de SQMS. El JJ genera efectivamente un sistema de dos niveles a una temperatura criogénica muy baja que produce un bit cuántico. Las imágenes tomadas con el microscopio de terahercios revelaron un límite defectuoso en la nanounión que causa una interrupción en la conductividad y constituye un desafío para producir los largos tiempos de coherencia necesarios para la computación cuántica.
Entendiendo los qubits
Las computadoras cuánticas están formadas por bits cuánticos o qubits. Los qubits funcionan de manera similar a los bits de una computadora digital. Los bits son la unidad de datos más pequeña que una computadora puede procesar y almacenar. Los bits son binarios, lo que significa que solo hay dos estados posibles en los que pueden existir, 0 o 1. Sin embargo, los qubits existen como 0 y 1 simultáneamente en su estado cuántico, que es lo que permite a las computadoras cuánticas procesar más información más rápido que las computadoras comúnmente utilizadas. hoy.
La imagen SNOM de terahercios de arriba muestra la concentración del campo eléctrico (el color más brillante) y la asimetría (el color claro frente al oscuro en ambos lados), lo que indica un problema de conectividad. La imagen de microscopía electrónica de transmisión a continuación confirma la desconexión en la unión (la brecha espacial). Crédito: Laboratorio Nacional Ames del Departamento de Energía de EE. UU.
Los mejores qubits en una computadora cuántica radican en comprender la función de una nano unión Josephson (JJ), el componente que examinó el equipo. Jigang Wang, científico del Ames Lab y líder del equipo de investigación, explicó que este JJ facilita el flujo de supercorriente a través del circuito a temperaturas criogénicas, lo que permite que los qubits existan en su estado cuántico. Es importante que este flujo permanezca uniforme y no disipativo para mantener la coherencia del sistema.
Retos y avances
«Los complejos componentes estructurales de los circuitos cuánticos a menudo conducen a una concentración local del campo eléctrico, lo que provoca dispersión y disipación de energía y, en última instancia, decoherencia», explicó Wang. «Así que la pregunta para el negocio actual de la computación cuántica es cómo mitigar la decoherencia».
Wang y su equipo utilizaron un microscopio óptico de campo cercano (SNOM) de barrido de terahercios previamente desarrollado en el Laboratorio Ames para obtener imágenes del JJ bajo acoplamiento de campo electromagnético. Este microscopio utiliza una punta especial que aumenta la resolución del microscopio a nanoescala, casi sin tocar ni afectar de ninguna manera el componente de unión. Usando este microscopio, el equipo registró imágenes de JJ. Si el componente de unión se fabrica correctamente, las imágenes resultantes mostrarán un campo eléctrico constante en todo el componente. Sin embargo, lo que el equipo encontró fue una desconexión entre dos partes del cruce (ver imagen arriba).
Wang explicó que este descubrimiento fue importante por dos razones. En primer lugar, identificó un problema con la fabricación del JJ, que ahora Rigetti puede solucionar, mejorando así la calidad del circuito cuántico. En segundo lugar, demuestra que el microscopio de terahercios desarrollado en Ames Lab es una herramienta útil para la detección de alto rendimiento de componentes de circuitos cuánticos.
«Esta investigación demuestra que este SNOM de terahercios es una herramienta ideal que podemos utilizar para visualizar la distribución heterogénea del campo eléctrico», dijo Wang. “Y esto permite la identificación no destructiva y sin contacto de los límites efectivos en esta nanounión. Es extremadamente preciso en la escala nanométrica”.
Capacidades del microscopio y objetivos futuros.
Los circuitos cuánticos suelen funcionar a estas temperaturas criogénicas extremadamente bajas. El equipo de Wang demostró previamente que el microscopio SNOM de terahercios puede funcionar a temperaturas extremadamente bajas, «por lo que el objetivo final de esta investigación es continuar impulsando esta máquina SNOM de terahercios extremadamente criogénica para poder alcanzar esa temperatura ultrabaja para poder seguir la tunelización de la supercorriente en tiempo real y en el espacio real de un qubit en funcionamiento”, dijo.
Wang enfatizó que los avances en este proyecto no habrían sido posibles si Ames Lab no fuera miembro de la comunidad SQMS. “Fue realmente un privilegio trabajar con ellos y contribuir como comunidad para hacer avanzar las cosas. Se necesitó un pueblo para resolver realmente este tipo de problema tecnológico y científico tan complejo. Y ha sido muy, muy importante contar con este equipo versátil”, afirmó Wang. «También estoy muy contento de que, como parte del Ames Lab, estemos haciendo una contribución importante al centro SQMS y a la iniciativa cuántica nacional».
Referencia: “Visualización de campos dipolares heterogéneos mediante acoplamiento de luz de terahercios en nanouniones individuales” por Richard HJ 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 y Jigang Wang, 22 de junio de 2023, Física de las Comunicaciones.
DOI: 10.1038/s42005-023-01259-0
