O emaranhamento quântico - que Albert Einstein chegou a desdenhar como "ação fantasmagórica à distância" - há décadas alimenta o imaginário popular e continua a desafiar até cientistas experientes.
Para quem trabalha com tecnologias quânticas hoje, porém, a ideia é bem mais pé no chão: emaranhamento é um tipo de ligação entre partículas e representa a característica essencial dos computadores quânticos.
Embora essas máquinas ainda estejam nos primeiros passos, é o emaranhamento que deverá permitir que elas façam o que os computadores clássicos não conseguem, como simular com mais fidelidade sistemas quânticos naturais - por exemplo, moléculas, fármacos ou catalisadores.
Em uma pesquisa publicada hoje na Science, meus colegas e eu demonstramos emaranhamento quântico entre dois núcleos atómicos separados por cerca de 20 nanômetros.
À primeira vista, isso pode parecer pouco. Ainda assim, a abordagem que usamos constitui um avanço prático e conceitual que pode contribuir para a construção de computadores quânticos com um dos sistemas mais precisos e confiáveis para armazenar informação quântica.
Equilibrar controlo e ruído
O grande problema para engenheiros de computadores quânticos é conciliar duas exigências que competem entre si.
Os elementos de computação, por serem frágeis, precisam ficar protegidos contra interferências externas e contra o ruído. Ao mesmo tempo, é indispensável existir um modo de interagir com esses elementos para realizar cálculos que tenham utilidade.
Isso ajuda a explicar por que ainda há tantos tipos de hardware disputando espaço na corrida pelo primeiro computador quântico operacional.
Algumas plataformas executam operações muito rápidas, mas pagam o preço de sofrer mais com ruído. Outras ficam bem isoladas do ruído, porém são difíceis de operar e de escalar.
Fazer núcleos atómicos “conversarem” entre si
O meu grupo vem desenvolvendo uma plataforma que - até hoje - cabia mais no segundo grupo. Implantamos átomos de fósforo em chips de silício e usamos o spin do núcleo desses átomos para codificar informação quântica.
Para que um computador quântico seja realmente útil, será necessário manipular muitos núcleos atómicos em paralelo. Só que, até agora, a forma de trabalhar com vários núcleos era colocá-los muito próximos dentro de um sólido, de modo que pudessem ficar sob a influência de um único elétron.
Em geral, imaginamos um elétron como sendo muito menor do que o núcleo de um átomo. No entanto, a física quântica indica que ele pode "se espalhar" no espaço, o que permite que interaja com diversos núcleos atómicos ao mesmo tempo.
Mesmo assim, a distância sobre a qual um único elétron consegue se espalhar é relativamente curta. Além disso, quando mais núcleos passam a depender do mesmo elétron, torna-se muito difícil controlar cada núcleo de forma individual.
“Telefones” eletrónicos para emaranhar núcleos distantes
Até aqui, dá para pensar nos núcleos como pessoas colocadas em salas à prova de som. Eles conseguem conversar entre si enquanto estiverem todos na mesma sala - e, nesse cenário, as conversas são muito nítidas.
Só que eles não escutam nada do lado de fora, e existe um limite de quantas pessoas cabem no mesmo espaço. Por isso, esse modo de comunicação não escala.
No nosso novo trabalho, é como se tivéssemos entregue telefones para que pessoas em salas diferentes pudessem comunicar-se. Cada sala continua silenciosa e protegida por dentro, mas agora é possível conversar com muito mais gente, mesmo quando ela está longe.
Os “telefones” são os elétrons. Por conseguirem se estender no espaço, dois elétrons podem "tocar" um no outro mesmo a uma distância considerável.
E, se cada elétron estiver diretamente acoplado a um núcleo atómico, os núcleos passam a se comunicar por meio da interação entre os elétrons.
Nós exploramos esse canal eletrónico para gerar emaranhamento quântico entre os núcleos usando um método chamado "porta geométrica", que já havíamos empregado 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 que compartilham o mesmo elétron.
Compatibilidade com circuitos integrados
No experimento, os núcleos de fósforo ficaram separados por 20 nanômetros. Se isso ainda soa como 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 exatamente a escala em que transístores 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 útil e bem blindados, na arquitetura já existente de chips de silício padrão - como os que estão em telemóveis e computadores.
Daqui para a frente, imaginamos estender ainda mais a distância de emaranhamento, já que os elétrons podem ser movidos fisicamente ou comprimidos para formar perfis mais alongados.
Esse avanço mais recente também indica que o progresso obtido em dispositivos quânticos baseados em elétrons pode ser aproveitado na construção de computadores quânticos que usem spins nucleares de longa vida útil para executar computações confiáveis.
Andrea Morello, Professor, Quantum Nanosystems, UNSW Sydney
Este artigo foi republicado a partir de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.
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