Quasipartículas localizadas em um fluxônio com indutores cinéticos amorfos quase bidimensionais

Por que pequenas falhas em supercondutores importam

Circuitos supercondutores são candidatos principais para construir computadores quânticos e detectores ultrasensíveis, mas são vulneráveis a pequenas perturbações que drenam sua energia. Este artigo explora como um material promissor, o siliceto de tungstênio (WSi), se comporta dentro de circuitos quânticos de ponta, e mostra que partículas microscópicas “extraviadas” dentro do supercondutor são uma fonte chave de perda. Entender e controlar esses incômodos ocultos é crucial para construir tecnologias quânticas mais confiáveis.

Fazendo fios que se comportam como molas potentes

Na eletrônica comum, indutores são bobinas de fio que armazenam energia em campos magnéticos. Em certos materiais supercondutores, entretanto, a energia também pode ser armazenada na inércia dos pares de elétrons que fluem sem resistência, uma contribuição conhecida como indutância cinética. Supercondutores desordenados como o WSi podem fornecer indutância cinética extremamente grande em uma área muito pequena, o que é atraente para circuitos quânticos compactos e fortemente não lineares. O WSi é também amorfo e estruturalmente uniforme, tornando-o compatível com a fabricação moderna de chips e atraente tanto para detectores de fótons de alto desempenho quanto para qubits supercondutores.

Construindo circuitos de teste a partir de filmes ultrafinos de WSi

Os pesquisadores depositaram filmes de WSi muito finos — com apenas alguns nanômetros de espessura — em chapas de safira e os padronizaram em fios longos e estreitos. Esses fios serviram como elementos indutivos em dois tipos de circuitos de micro-ondas: ressonadores, que são estruturas minúsculas de “ressonância” amplamente usadas em hardware quântico, e qubits fluxônio, um tipo de bit quântico que combina uma junção Josephson com um indutor grande. Mantendo a composição do WSi fixa e variando apenas a espessura do filme e a geometria, eles puderam alterar sistematicamente a indutância cinética e o grau de desordem enquanto mediam quanta energia os circuitos perdiam.

Rastreando a perda de energia até quasipartículas aprisionadas

Quando a equipe mediu os ressonadores em temperaturas muito baixas e baixa potência, encontrou fatores de qualidade internos entre cerca de dez mil e cem mil — comparáveis a outros supercondutores desordenados usados em dispositivos quânticos. Várias pistas apontaram para longe de defeitos em camadas isolantes e em direção a excitações no próprio WSi. Dispositivos com exposições muito diferentes do campo elétrico nas superfícies de WSi apresentaram perda similar, e tornar o filme mais fino (e mais desordenado) claramente piorou o desempenho. Além disso, a perda diminuiu de forma contínua com o aumento da frequência de ressonância, uma assinatura esperada quando a perda é dominada por quasipartículas — pares de Cooper quebrados que carregam energia em um supercondutor.

Ao variar a potência de micro-ondas, os autores observaram que a perda do ressonador inicialmente melhorava conforme o número de fótons circulantes aumentava, depois se degradava novamente próximo ao início do comportamento não linear. Essa tendência não monótona corresponde a um quadro no qual muitas quasipartículas estão aprisionadas em “bolsões” rasos criados por flutuações espaciais da lacuna supercondutora em um filme desordenado. Uma excitação suave por micro-ondas sacode algumas dessas quasipartículas, permitindo que se recombinem e reduzam seu número e, portanto, a perda. Em excitações maiores, a corrente torna-se forte o suficiente para quebrar pares de Cooper adicionais, criando mais quasipartículas e aumentando a dissipação novamente.

Testando WSi dentro de qubits em funcionamento

Para verificar se a mesma física aparece em qubits reais, a equipe incorporou fios longos de WSi como os indutores em dois dispositivos fluxônio com diferentes espessuras de filme, mas indutâncias nominais comparáveis. Eles mapearam os níveis de energia de cada qubit em função do fluxo magnético e então mediram por quanto tempo o primeiro estado excitado sobrevivia (o tempo de relaxação, T1) em várias frequências do qubit. Em ambos os dispositivos, frequências de qubit mais altas corresponderam a tempos de vida mais longos, e o qubit feito com o filme de WSi mais fino e mais desordenado decaiu mais rápido no geral. Modelagem detalhada de vários mecanismos candidatos de perda mostrou que a perda indutiva por quasipartículas nos fios de WSi podia explicar tanto a dependência com a frequência quanto a magnitude dos tempos de vida observados, com densidades de quasipartículas semelhantes às inferidas dos ressonadores.

O que isso significa para o hardware quântico futuro

As medições combinadas em ressonadores e qubits pintam um quadro consistente: em filmes de WSi ultrafinos e desordenados, quasipartículas localizadas são a principal fonte de perda de energia em micro-ondas. Embora isso limite o desempenho destas primeiras gerações de circuitos quânticos baseados em WSi, também fornece um roteiro claro para melhorias. Estratégias como adicionar armadilhas dedicadas para quasipartículas, reduzir o quanto o circuito depende do elemento indutivo com perda e ajustar a composição e espessura do filme podem levar a qubits com tempos de vida maiores. Como o WSi já é um material consagrado para detectores de fótons individuais, demonstrar sua integração com qubits fluxônio abre a porta para chips híbridos onde detectores e processadores quânticos compartilham a mesma plataforma de materiais.

Citação: Larson, T.F.Q., Jones, S.G., Kalmár, T. et al. Localized quasiparticles in a fluxonium with quasi-two-dimensional amorphous kinetic inductors. Nat Commun 17, 3022 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69709-1

Palavras-chave: qubits supercondutores, indutância cinética, quasipartículas, siliceto de tungstênio, fluxônio