Em silício, emaranhamento quântico a 20 nanômetros entre núcleos atômicos

O emaranhamento quântico - que Albert Einstein ironizou como “ação fantasmagórica à distância” - costuma soar como coisa de ficção científica, dessas que deixam qualquer um curioso e até desconfiado.

Na bancada de laboratório, porém, ele é bem menos misterioso: emaranhamento é um tipo de ligação entre partículas e, na prática, é uma peça-chave do que torna os computadores quânticos diferentes de tudo o que existe hoje.

Embora esses dispositivos ainda estejam no começo, é o emaranhamento que vai permitir que façam tarefas fora do alcance dos computadores clássicos - 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.

À primeira vista, isso pode parecer pouco. Mas a abordagem que usamos é 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 puxam em direções opostas.

Os elementos de computação, por serem frágeis, precisam ficar protegidos de interferência externa e de ruído. Ao mesmo tempo, é indispensável conseguir interagir com eles para executar cálculos que tenham utilidade real.

É por isso que ainda há tantos tipos de hardware diferentes competindo para ser o primeiro computador quântico operacional.

Algumas plataformas são ótimas para operações rápidas, mas sofrem mais com ruído. Outras ficam muito bem blindadas contra ruído, porém são difíceis de operar e de escalar.

Getting atomic nuclei to talk to each other

Meu grupo vem trabalhando em uma plataforma que - até hoje - se encaixaria mais no segundo caso. Implantamos átomos de fósforo em chips de silício e usamos o spin do núcleo desses átomos para codificar informação quântica.

Para montar um computador quântico útil, será necessário lidar com muitos núcleos atômicos ao mesmo tempo. Mas, até agora, a única forma de trabalhar com vários núcleos era colocá-los muito próximos dentro de um sólido, de modo que todos pudessem ficar “sob” um único elétron.

Em geral, imaginamos um elétron como algo muito menor que o núcleo de um átomo. Só que a física quântica diz que ele pode “se espalhar” no espaço, e assim interagir com múltiplos núcleos ao mesmo tempo.

Ainda assim, o alcance desse espalhamento de um único elétron é bastante limitado. Além disso, quanto mais núcleos se conectam ao mesmo elétron, mais difícil fica controlar cada núcleo de forma individual.

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 enquanto estão na mesma sala - e as conversas ficam muito nítidas.

Mas não escutam nada do lado de fora, e também existe um limite de quantas pessoas cabem na sala. Por isso, esse tipo de “conversa” não escala.

No nosso novo trabalho, é como se tivéssemos dado telefones para as pessoas falarem com outras salas. Cada sala continua bem silenciosa por dentro, mas agora dá para manter conversas entre muito mais pessoas, mesmo que estejam longe.

Os “telefones” são elétrons. Pela capacidade de se espalhar no espaço, dois elétrons podem “se tocar” a uma distância considerável.

E, se cada elétron estiver acoplado diretamente a um núcleo atômico, os núcleos conseguem se comunicar por meio da interação entre os elétrons.

Usamos esse canal eletrônico para criar emaranhamento quântico entre os núcleos por meio de um método chamado “porta geométrica” (geometric gate), que utilizamos 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 átomos de fósforo.

Mas essa também é a escala em que transistores de silício do dia a dia são fabricados. Criar emaranhamento quântico na escala de 20 nanômetros significa que podemos integrar nossos qubits de spin nuclear - de longa vida e bem protegidos - à arquitetura já existente de chips padrão de silício, como os que estão em celulares e computadores.

No futuro, imaginamos ampliar ainda mais essa distância de emaranhamento, porque os elétrons podem ser fisicamente movidos ou comprimidos em formatos mais alongados.

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 executar computações confiáveis.

Andrea Morello, Professor, Quantum Nanosystems, UNSW Sydney

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