Emaranhamento quântico a 20 nanômetros no silício: avanço com núcleos atômicos

O emaranhamento quântico - que Albert Einstein chegou a descartar como "ação fantasmagórica à distância" - há muito tempo alimenta a imaginação do público e intriga até cientistas experientes.

Para quem trabalha com tecnologias quânticas hoje, porém, a explicação é bem mais pé no chão: emaranhamento é um tipo de ligação entre partículas e constitui a característica essencial dos computadores quânticos.

Embora esses dispositivos ainda estejam no começo, é o emaranhamento que deverá permitir feitos fora do alcance dos computadores clássicos, como simular com mais fidelidade sistemas quânticos naturais - por exemplo, moléculas, fármacos ou catalisadores.

Em uma nova pesquisa publicada hoje na Science, eu e meus colegas demonstrámos emaranhamento quântico entre dois núcleos atômicos separados por cerca de 20 nanômetros.

À primeira vista, isso pode parecer pouco. Ainda assim, a abordagem que empregámos representa um avanço prático e conceitual e pode ajudar a viabilizar computadores quânticos com um dos sistemas mais precisos e confiáveis para armazenar informação quântica.

Conciliar controlo e ruído no hardware quântico

O desafio para engenheiros de computadores quânticos é equilibrar duas exigências que competem entre si.

Os elementos de computação, que são frágeis, precisam ficar protegidos de interferências externas e de ruído. Ao mesmo tempo, é indispensável conseguir interagir com eles para executar cálculos úteis.

Essa tensão ajuda a explicar por que ainda existem tantos tipos de hardware disputando a corrida pelo primeiro computador quântico operacional.

Algumas abordagens permitem operações muito rápidas, mas sofrem com ruído. Outras ficam muito bem blindadas contra o ruído, porém são difíceis de operar e de escalar.

Fazer núcleos atômicos comunicarem entre si

O meu grupo tem trabalhado em uma plataforma que - até hoje - se encaixava mais no segundo grupo. Implantámos átomos de fósforo em chips de silício e utilizámos o spin do núcleo desses átomos para codificar informação quântica.

Para construir um computador quântico útil, será necessário operar com muitos núcleos atômicos ao mesmo tempo. Porém, até aqui, a única forma de lidar com múltiplos núcleos era colocá-los muito próximos dentro de um sólido, de modo que pudessem ser envolvidos por um único elétron.

Em geral, pensamos no elétron como algo muito menor do que o núcleo do átomo. No entanto, a física quântica mostra que ele pode "se espalhar" no espaço, o que lhe permite interagir com vários núcleos atômicos ao mesmo tempo.

Mesmo assim, a distância sobre a qual um único elétron consegue se espalhar é bastante limitada. Além disso, colocar mais núcleos sob a influência do mesmo elétron torna muito difícil controlar cada núcleo individualmente.

"Telefones" eletrônicos para emaranhar núcleos distantes

Até agora, poderíamos dizer que os núcleos eram como pessoas em salas à prova de som. Elas conseguem conversar entre si desde que estejam todas na mesma sala - e, nesse caso, o diálogo fica muito claro.

Mas nada do lado de fora é ouvido, e há um limite para a quantidade de pessoas que cabem na sala. Por isso, esse tipo de comunicação não escala.

No nosso novo trabalho, é como se tivéssemos dado telefones às pessoas para falarem com outras salas. Cada sala continua silenciosa por dentro, mas agora é possível conversar com muito mais gente, mesmo quando estão longe.

Os "telefones" são os elétrons. Como conseguem se espalhar no espaço, dois elétrons podem "tocar" um no outro a uma distância considerável.

E, se cada elétron estiver diretamente acoplado a um núcleo atômico, os núcleos passam a comunicar-se através da interação entre os elétrons.

Usámos esse canal eletrônico para criar emaranhamento quântico entre os núcleos por meio de um método chamado "porta geométrica", que empregámos alguns anos atrás para realizar operações quânticas de alta precisão com átomos em silício.

Agora - pela primeira vez em silício - demonstrámos que esse método pode escalar para além de pares de núcleos ligados ao mesmo elétron.

Compatibilidade com circuitos integrados

No nosso experimento, os núcleos de fósforo estavam separados por 20 nanômetros. Se isso ainda parece uma distância pequena, é porque é mesmo: há menos de 40 átomos de silício entre os dois átomos de fósforo.

Por outro lado, essa é também a escala em que transistores de silício do dia a dia são fabricados. Conseguir emaranhamento quântico na escala de 20 nanômetros significa que podemos integrar os nossos qubits de spin nuclear - de longa vida e bem blindados - na arquitetura existente dos chips de silício padrão, como os usados em telemóveis e computadores.

Para o futuro, imaginamos aumentar ainda mais a distância de emaranhamento, porque os elétrons podem ser movidos fisicamente ou comprimidos em formas mais alongadas.

Esse avanço mais recente significa que o progresso em dispositivos quânticos baseados em elétrons pode ser aplicado à construção de computadores quânticos que usem spins nucleares de longa duração para realizar cálculos confiáveis.

Andrea Morello, Professor, Quantum Nanosystems, UNSW Sydney

Este artigo foi republicado de The Conversation sob licença Creative Commons. Leia o artigo original.