O emaranhamento quântico - que Albert Einstein chegou a chamar de “ação fantasmagórica à distância” - sempre despertou curiosidade e, por muito tempo, pareceu mais um paradoxo do que algo prático.
Hoje, porém, quem trabalha com tecnologia quântica enxerga o tema de forma bem mais direta: o emaranhamento é, essencialmente, um tipo de ligação entre partículas e é uma das peças centrais que tornam os computadores quânticos possíveis.
Embora esses dispositivos ainda estejam no começo, é o emaranhamento que permitirá fazer coisas que computadores clássicos não conseguem, como simular melhor sistemas quânticos naturais - por exemplo, moléculas, fármacos ou catalisadores.
Em uma nova pesquisa publicada hoje na Science, meus colegas e eu demonstramos emaranhamento quântico entre dois núcleos atômicos separados por cerca de 20 nanômetros.
Isso pode parecer pouco. Mas a abordagem que usamos representa um avanço prático e conceitual, com potencial para ajudar a construir computadores quânticos usando um dos sistemas mais precisos e confiáveis para armazenar informação quântica.
Balancing control with noise
O desafio para engenheiros de computadores quânticos é equilibrar duas necessidades que competem entre si.
Os elementos frágeis de computação precisam ser protegidos de interferências externas e de ruído. Ao mesmo tempo, é necessário conseguir interagir com eles para realizar cálculos úteis.
Por isso, ainda existem tantos tipos diferentes de hardware disputando a corrida pelo primeiro computador quântico operacional.
Algumas plataformas são ótimas para operações rápidas, mas sofrem mais com ruído. Outras ficam muito bem blindadas, porém são difíceis de operar e de escalar.
Getting atomic nuclei to talk to each other
Meu grupo vem trabalhando com uma plataforma que - até hoje - se encaixava mais no segundo grupo. Implantamos átomos de fósforo em chips de silício e usamos o spin dos núcleos desses átomos para codificar informação quântica.
Para montar um computador quântico realmente útil, precisaremos lidar com muitos núcleos atômicos ao mesmo tempo. Mas, até agora, o único jeito de trabalhar com vários núcleos era colocá-los muito próximos dentro de um sólido, de modo que pudessem ficar “envolvidos” por um único elétron.
Costumamos imaginar o elétron como algo muito menor do que o núcleo de um átomo. No entanto, a física quântica diz que ele pode se “espalhar” no espaço, permitindo interagir com mais de um núcleo simultaneamente.
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 bem difícil controlar cada núcleo individualmente.
Electronic 'telephones' to entangle remote nuclei
Dá para dizer que, até agora, os núcleos eram como pessoas em salas à prova de som. Eles conseguem conversar entre si desde que estejam na mesma sala - e, nessas condições, as conversas ficam bem nítidas.
Mas eles não ouvem nada de fora, e só cabe um certo número de pessoas dentro da sala. Ou seja, esse tipo de conversa não escala.
No nosso novo trabalho, é como se tivéssemos dado telefones às pessoas para se comunicarem com outras salas. Cada sala continua silenciosa por dentro, mas agora dá para ter conversas entre muito mais gente, mesmo quando estão longe.
Os “telefones” são os elétrons. Pela capacidade de se espalhar no espaço, dois elétrons podem “tocar” um ao outro mesmo a uma distância considerável.
E, se cada elétron estiver acoplado diretamente a um núcleo atômico, então os núcleos podem se comunicar por meio da interação entre os elétrons.
Usamos esse canal de elétrons para criar emaranhamento quântico entre os núcleos com um método chamado “porta geométrica” (geometric gate), que já havíamos usado alguns anos atrás para realizar operações quânticas de alta precisão com átomos em silício.
Agora - pela primeira vez em silício - mostramos que esse método pode escalar para além de pares de núcleos ligados ao mesmo elétron.
Fitting in with integrated circuits
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 de fósforo.
Mas essa também é a escala em que transistores comuns de silício são fabricados. Criar emaranhamento quântico na escala de 20 nanômetros significa que podemos integrar nossos qubits de spin nuclear - duradouros e bem blindados - à arquitetura já existente de chips de silício padrão, como os usados em celulares e computadores.
No futuro, imaginamos empurrar a distância de emaranhamento ainda mais, porque os elétrons podem ser movidos fisicamente ou “comprimidos” em formas mais alongadas.
Nosso avanço mais recente significa que o progresso em dispositivos quânticos baseados em elétrons pode ser aplicado à construção de computadores quânticos que usam spins nucleares de longa vida para realizar computações confiáveis.
Andrea Morello, Professor, Quantum Nanosystems, UNSW Sydney
This article is republished from The Conversation under a Creative Commons license. Read the original article.
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