Tecnologia Científica
Novas técnicas de visualização quântica podem acelerar a chegada de computadores quânticos tolerantes a falhas
Um estudo de pesquisa liderado pela Universidade de Oxford desenvolveu uma nova técnica poderosa para encontrar a próxima geração de materiais necessários para a computação quântica tolerante a falhas em larga escala.
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Oxford - 30/05/2025
Um novo método desenvolvido por pesquisadores de Oxford pode ajudar a identificar materiais adequados para qubits topológicos, possibilitando a próxima geração da computação quântica. Crédito da imagem: MF3d, Getty Images.
Um estudo de pesquisa liderado pela Universidade de Oxford desenvolveu uma nova técnica poderosa para encontrar a próxima geração de materiais necessários para a computação quântica tolerante a falhas em larga escala. Isso pode encerrar uma busca de décadas por materiais baratos que possam hospedar partículas quânticas únicas, facilitando, em última análise, a produção em massa de computadores quânticos. Os resultados foram publicados esta semana na revista Science .
Computadores quânticos podem liberar um poder computacional sem precedentes, muito além dos supercomputadores atuais. No entanto, o desempenho dos computadores quânticos é atualmente limitado, devido às interações com o ambiente que degradam as propriedades quânticas (conhecidas como "decoerência quântica"). Físicos buscam materiais resistentes à decoerência quântica há décadas, mas a busca tem se mostrado experimentalmente desafiadora.
Neste novo estudo, pesquisadores do Grupo Davis da Universidade de Oxford demonstraram uma nova técnica altamente eficaz para identificar tais materiais, chamados de supercondutores topológicos.
"É realmente emocionante ver a primeira assinatura espectroscópica da supercondutividade topológica intrínseca. Esta importante descoberta científica só se torna possível com a nossa recém-inventada técnica espectroscópica."
Autor principal Dr. Shuqiu Wang (Universidade de Oxford e Universidade de Bristol)
Um supercondutor topológico é uma forma sem precedentes de matéria quântica que pode hospedar partículas quânticas exóticas conhecidas como férmions de Majorana. Em teoria, essas partículas podem armazenar informações dentro de sua forma e estrutura (topologia), em vez de, como normalmente fazem, dentro do próprio estado da partícula. Isso significa que a informação é mais estável e não é afetada por perturbações locais, como desordem e ruído. Como consequência, elas podem armazenar informações quânticas permanentemente, sem que estas sejam degradadas pelos efeitos de decoerência quântica que limitam os computadores quânticos atuais.
Até o momento, não havia nenhuma técnica eficaz para determinar definitivamente se um determinado material supercondutor pode ser a plataforma para computação quântica topológica avançada. Neste novo estudo, os pesquisadores de Oxford verificaram que o conhecido supercondutor ditelureto de urânio (UTe 2 ) é um supercondutor topológico intrínseco.
Desde sua descoberta em 2019, o UTe 2 tem sido considerado o principal material candidato à supercondutividade topológica intrínseca. Acreditava-se que os pares de elétrons no UTe 2 eram altamente incomuns, com seus spins alinhados, uma condição necessária para a supercondutividade topológica intrínseca e, portanto, para estados de superfície supercondutores topologicamente protegidos. No entanto, nenhuma pesquisa havia demonstrado definitivamente esses fenômenos no UTe 2 – até agora.
Os pesquisadores utilizaram um microscópio de tunelamento de varredura (STM), que utiliza uma sonda supercondutora de alta nitidez atômica para obter imagens de ultra-alta resolução em escala atômica, sem o uso de feixes de luz ou elétrons. Os experimentos utilizaram um modo operacional totalmente novo, inventado pelo professor Séamus Davis (chamado de técnica Andreev STM).
Este método é especificamente ajustado apenas para elétrons em um estado quântico especial (estado de superfície topológica) que, segundo se prevê, cobre a superfície de supercondutores topológicos intrínsecos.
Joseph P. Carroll supervisionando as operações em um microscópio de tunelamento de varredura Andreev (STM) do Davis Group. Crédito da imagem: Catherine Dawson, Davis Group.
Quando implementado, o método funcionou exatamente como a teoria sugeria, permitindo aos pesquisadores não apenas detectar o estado topológico da superfície, mas também identificar a supercondutividade topológica intrínseca do material.
Os resultados indicaram que o UTe 2 é de fato um supercondutor topológico intrínseco, mas não exatamente o tipo que os físicos têm procurado. Embora, com base nos fenômenos relatados, se acredite que partículas quânticas de Majorana existam neste material, elas ocorrem em pares e não podem ser separadas umas das outras.
No entanto, a técnica experimental de STM de Andreev utilizada é um avanço por si só. Essa nova técnica agora permite que os físicos determinem com precisão e diretamente se outros materiais possuem supercondutividade topológica intrínseca, de modo a fornecer plataformas promissoras para a computação quântica topológica.
"A invenção da técnica STM de Andreev, a detecção do estado de superfície topológica supercondutora, a identificação da supercondutividade topológica intrínseca e a categorização precisa desta última são todas pioneiras na física. Combinadas, essas inovações podem acelerar enormemente nossa capacidade de identificar os materiais certos para possibilitar a revolução que a computação quântica trará."
Professor Séamus Davis (Departamento de Física, Universidade de Oxford)
Materiais supercondutores topológicos intrínsecos continuam sendo um grande desafio a ser encontrado e, atualmente, são em grande parte um conceito teórico, mas o campo está avançando rapidamente. Pesquisadores em todo o mundo estão investigando ativamente os potenciais candidatos e a tecnologia necessária para explorar suas propriedades. No início deste ano, a Microsoft anunciou o Majorana 1, como "a primeira Unidade de Processamento Quântico do mundo alimentada por um Núcleo Topológico", supostamente hospedando qubits topológicos. A Microsoft alcançou esse dispositivo criando um supercondutor topológico sintético baseado em estruturas elaboradamente projetadas feitas de supercondutores convencionais.
No entanto, o novo trabalho do Davis Group significa que os cientistas agora podem identificar materiais cristalinos simples para substituir circuitos artificiais tão complicados e extremamente caros, potencialmente levando a qubits topológicos econômicos para a próxima geração da computação quântica.
O professor Séamus Davis (Departamento de Física da Universidade de Oxford) afirmou: "A invenção da técnica Andreev STM, a detecção do estado de superfície topológica supercondutora, a identificação da supercondutividade topológica intrínseca e a categorização precisa desta última são todas pioneiras na física. Combinadas, essas inovações podem acelerar enormemente nossa capacidade de identificar os materiais certos para possibilitar a revolução que a computação quântica trará."
O autor principal, Dr. Shuqiu Wang (na época do Grupo Davis em Oxford, mas atualmente Professor Assistente na Universidade de Bristol), disse: "É realmente emocionante ver a primeira assinatura espectroscópica da supercondutividade topológica intrínseca. Esta importante descoberta científica só se torna possível com a nossa técnica espectroscópica recém-inventada. Estou ansioso para descobrir mais supercondutores topológicos intrínsecos e suas físicas fascinantes e exóticas, que ainda não foram reveladas usando a técnica de STM de Andreev!"
O estudo 'Simetria da função de onda de pares em UTe2 a partir da visualização do estado de superfície de energia zero' foi publicado na Science .
O estudo também envolveu pesquisadores da Universidade da Califórnia – Berkeley e do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, da Universidade Cornell, da Universidade de Bristol, da Universidade de Maryland, da Universidade de Washington, da University College Cork e da Universidade de Notre Dame.
