Em silício: emaranhamento quântico entre núcleos atômicos a 20 nanômetros

Há quem conheça o emaranhamento quântico pelo apelido que Albert Einstein lhe deu: “ação fantasmagórica à distância”. A expressão pegou porque mistura estranheza e fascínio - e, por muito tempo, esse fenômeno ficou entre os grandes mistérios que intrigavam até pesquisadores experientes.

Só que, no dia a dia de quem trabalha com computação quântica, o emaranhamento é menos “fantasma” e mais ferramenta: ele é um tipo de ligação entre partículas e a característica central que dá sentido a um computador quântico.

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.

Pode parecer uma distância pequena. Mas o método que usamos é um avanço prático e conceitual que pode ajudar a construir computadores quânticos com 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 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.

É por isso que ainda existem tantos tipos de hardware competindo para chegar primeiro a um computador quântico operacional.

Algumas abordagens são excelentes para operações rápidas, mas sofrem mais com ruído. Outras ficam muito bem isoladas do ruído, porém são difíceis de operar e de escalar.

Getting atomic nuclei to talk to each other

Minha equipe vem trabalhando em 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 construir um computador quântico realmente útil, precisaremos lidar com muitos núcleos atômicos ao mesmo tempo. Mas, até agora, a única forma de trabalhar com múltiplos núcleos era colocá-los muito próximos dentro de um sólido, de modo que todos pudessem ficar “sob” um único elétron.

Normalmente pensamos no elétron como sendo muito menor do que o núcleo de um átomo. No entanto, a física quântica mostra que ele pode “se espalhar” no espaço, permitindo interagir com vários núcleos atômicos simultaneamente.

Ainda assim, o alcance desse espalhamento de um único elétron é bem limitado. Além disso, quando se adicionam mais núcleos para o mesmo elétron, torna-se muito difícil 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. Elas conseguem conversar entre si desde que estejam todas no mesmo ambiente, e as conversas ficam bem nítidas.

Mas elas não ouvem nada de fora - e há um limite para quantas pessoas cabem na mesma sala. Portanto, 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 manter conversas entre muito mais pessoas, mesmo que estejam longe umas das outras.

Os “telefones” são os elétrons. Por conseguirem 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, os núcleos conseguem se comunicar por meio da interação entre os elétrons.

Nós usamos esse canal eletrônico para criar emaranhamento quântico entre os núcleos com um método chamado “geometric gate”, 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 ir 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 de silício padrão, como os que estão nos nossos celulares e computadores.

No futuro, imaginamos empurrar essa distância de emaranhamento ainda mais, porque os elétrons podem ser movidos fisicamente ou “comprimidos” em formas mais alongadas.

Nossa conquista mais recente significa que o avanço em dispositivos quânticos baseados em elétrons pode ser aproveitado na construção de computadores quânticos que usam spins nucleares de longa duração para realizar computações confiáveis.

Andrea Morello, Professor, Quantum Nanosystems, UNSW Sydney

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