Manipulação coerente quântica e leitura de estados de vórtices supercondutores

Uma nova maneira de armazenar informação quântica

Computadores quânticos prometem resolver problemas muito além do alcance das máquinas atuais, mas seus blocos fundamentais — os qubits — são frágeis e difíceis de projetar. Este estudo revela um tipo inesperado de qubit escondido dentro dos próprios materiais supercondutores: minúsculos redemoinhos de campo magnético, chamados vórtices, que podem armazenar informação quântica por tempos surpreendentemente longos. Transformar algo antes visto como um incômodo em um recurso útil pode abrir novos caminhos para tecnologias quânticas mais simples e robustas.

Quando os supercondutores deixam o magnetismo entrar

Supercondutores são famosos por expulsar campos magnéticos de seu interior, fenômeno que sustenta tecnologias que vão de scanners de ressonância magnética a detectores sensíveis. No entanto, quando o campo aplicado fica forte o bastante, ele pode atravessar o supercondutor em feixes discretos e filamentares conhecidos como vórtices. Em materiais comuns, o centro de cada vórtice comporta-se como metal normal, causando atrito e perda de energia sempre que o vórtice se move. Por isso, os vórtices foram por muito tempo vistos como causadores de problemas que degradam o desempenho de dispositivos supercondutores e bits quânticos. A reviravolta explorada aqui é que, em um supercondutor fortemente desordenado e granular — composto por muitos grãos minúsculos de alumínio separados por finas barreiras isolantes — o interior de um vórtice pode permanecer “com gap”, isto é, não dissipa energia facilmente. Nessas condições, vórtices podem deixar de se comportar como objetos clássicos e começar a exibir comportamento plenamente quântico.

Transformando vórtices em sistemas quânticos de dois estados

Os pesquisadores fabricaram um ressonador de micro-ondas estreito de alumínio granular, resfriaram-no a alguns milésimos de grau acima do zero absoluto e aplicaram um pequeno campo magnético durante o resfriamento. Esse procedimento prende vórtices no dispositivo em locais específicos. Em seguida, ao varrer o campo magnético e sondar a resposta de micro-ondas do ressonador, a equipe observou sinais claros de que o ressonador estava fortemente acoplado a um sistema de dois níveis distinto e sintonizável — essencialmente um objeto quântico com apenas estado fundamental e excitado — ligado à presença dos vórtices. Eles puderam induzir transições entre esses dois estados com pulsos curtos de micro-ondas, assim como se manipula um qubit supercondutor convencional, e também ler o estado de forma que não o destruísse, conhecida como medida quântica não-demolitiva.

Redemoinhos quânticos de longa duração

Medidas resolvidas no tempo revelaram que esses estados baseados em vórtices retêm sua energia por centenas de microssegundos, rivalizando com os tempos de vida de alguns qubits cuidadosamente projetados usados nos principais experimentos atuais. A coerência de fase — a propriedade que permite existirem superposições quânticas — perdurou por microssegundos e pôde ser estendida usando técnicas de eco que cancelam derivações ambientais lentas. Estudos estatísticos ao longo de muitos ciclos de resfriamento indicaram que esses “qubits de vórtice” são estáveis por horas a semanas, embora sua configuração microscópica possa mudar de um resfriamento para outro, refletindo diferentes arranjos de vórtices na paisagem granular.

Uma paisagem de armadilhas e tunelamento quântico

Para explicar como um vórtice pode atuar como um sistema quântico de dois estados, os autores modelaram como ele experimenta a paisagem energética dentro da tira supercondutora estreita. Como o filme é granular e desordenado, há muitos pequenos sítios de “pinagem” que prendem localmente os vórtices. À medida que o campo magnético é ajustado, a profundidade relativa dessas armadilhas muda, criando efetivamente um potencial de poço duplo: duas posições de baixa energia próximas separadas por uma barreira. Perto de um campo “ponto ideal”, os dois poços ficam quase iguais em energia, e o vórtice pode tunelar quânticamente entre eles em vez de saltar classicamente. Nesse regime, o vórtice deixa de estar confinado a um lado ou outro; em vez disso, seu estado é uma superposição de estar em ambos os sítios simultaneamente, formando o sistema de dois níveis que se acopla ao ressonador.

De defeitos indesejados a ferramentas quânticas úteis

Ao mostrar que vórtices presos em um supercondutor granular podem se comportar como qubits controláveis e de longa vida, este trabalho transforma uma desvantagem de longa data dos dispositivos supercondutores em uma oportunidade. Se o quadro básico — vórtices tunelando entre sítios de pinagem próximos em uma rede desordenada e semelhante a junções — for confirmado por futuros experimentos de imagem e espectroscopia, qubits baseados em vórtices semelhantes poderão ser realizados em uma ampla gama de materiais. Por nascerem diretamente da estrutura do supercondutor, tais estados poderiam servir tanto como sondas embutidas do desorden microscopico quanto como elementos de uma nova plataforma baseada em vórtices para processamento de informação quântica e detecção ultrasensível.

Citação: Nambisan, A., Günzler, S., Rieger, D. et al. Quantum coherent manipulation and readout of superconducting vortex states. Nature 653, 63–67 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10441-7

Palavras-chave: qubits supercondutores, alumínio granular, vórtices magnéticos, coerência quântica, materiais quânticos