O emaranhamento quântico - que Albert Einstein desdenhou como "ação fantasmagórica à distância" - há décadas alimenta a curiosidade do público e continua a desafiar até investigadores experientes.
Para quem trabalha hoje com tecnologia quântica, porém, a coisa soa bem menos misteriosa: o emaranhamento é um tipo de ligação entre partículas e representa a característica essencial dos computadores quânticos.
Embora esses equipamentos ainda estejam nos primeiros passos, 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.
Num estudo publicado hoje na Science, eu e os meus colegas demonstrámos emaranhamento quântico entre dois núcleos atómicos separados por cerca de 20 nanómetros.
À primeira vista, esse intervalo pode parecer modesto. Ainda assim, a abordagem que usamos é um avanço prático e conceptual que pode abrir caminho para computadores quânticos construídos a partir de um dos sistemas mais precisos e confiáveis para armazenar informação quântica.
Equilibrar controlo e ruído
O grande problema para quem projeta computadores quânticos é conciliar duas exigências que competem entre si.
Os elementos de computação, por serem frágeis, precisam ficar protegidos de interferências externas e do ruído. Ao mesmo tempo, é indispensável conseguir interagir com esses elementos para executar cálculos que realmente façam sentido.
Isso ajuda a explicar por que ainda existe uma variedade tão grande de arquiteturas de hardware a disputar a corrida pelo primeiro computador quântico operacional.
Algumas plataformas realizam operações com muita rapidez, mas sofrem mais com o ruído. Outras ficam muito bem isoladas do ruído, porém são difíceis de operar e de ampliar para grandes quantidades de componentes.
Fazer núcleos atómicos conversarem entre si
O meu grupo vem a desenvolver uma plataforma que - até agora - encaixava melhor no segundo grupo. Implantámos átomos de fósforo em chips de silício e utilizámos o spin dos núcleos desses átomos para codificar informação quântica.
Para que um computador quântico seja útil, será preciso manipular muitos núcleos atómicos ao mesmo tempo. Só que, até aqui, a maneira de trabalhar com vários núcleos era colocá-los muito próximos dentro de um sólido, de forma que pudessem ser envoltos por um único eletrão.
Costuma-se imaginar que um eletrão é muito menor do que o núcleo de um átomo. No entanto, a física quântica mostra que ele pode "espalhar-se" no espaço - e, assim, interagir com vários núcleos atómicos simultaneamente.
Mesmo assim, a distância ao longo da qual um único eletrão consegue espalhar-se é bastante limitada. Além disso, quanto mais núcleos se ligam ao mesmo eletrão, mais difícil se torna controlar cada núcleo de maneira individual.
'Telefones' eletrónicos para emaranhar núcleos distantes
Até agora, poderíamos dizer que os núcleos se pareciam com pessoas dentro de salas à prova de som. Elas conversam entre si desde que estejam na mesma sala, e as conversas ficam realmente nítidas.
Mas não escutam nada vindo de fora - e há um limite para quantas pessoas cabem no mesmo espaço. Por isso, esse tipo de conversa 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 passa a ser possível conversar entre muito mais pessoas, mesmo quando estão distantes.
Os "telefones" são eletrões. Como conseguem espalhar-se no espaço, dois eletrões podem "tocar-se" mesmo a uma distância considerável.
E, se cada eletrão estiver acoplado diretamente a um núcleo atómico, os núcleos passam a comunicar-se por meio da interação entre os eletrões.
Usámos esse canal eletrónico para gerar emaranhamento quântico entre os núcleos com um método chamado "porta geométrica", que já tínhamos aplicado há alguns anos para realizar operações quânticas de alta precisão com átomos em silício.
Agora - pela primeira vez em silício - demonstrámos que esse método pode ir além de pares de núcleos ligados ao mesmo eletrão.
Compatibilidade com circuitos integrados
No nosso experimento, os núcleos de fósforo ficaram separados por 20 nanómetros. Se isso ainda parece pouco, é porque realmente é: há menos de 40 átomos de silício entre os dois átomos de fósforo.
Por outro lado, essa é exatamente a escala de fabrico de transístores de silício comuns. Conseguir emaranhamento quântico na escala de 20 nanómetros significa que podemos integrar os nossos qubits de spin nuclear - de longa vida e bem protegidos - na arquitetura já existente dos chips de silício padrão, como os que estão em telemóveis e computadores.
Mais adiante, imaginamos aumentar ainda mais a distância de emaranhamento, porque os eletrões podem ser deslocados fisicamente ou comprimidos em formas mais alongadas.
O nosso avanço mais recente também indica que os progressos em dispositivos quânticos baseados em eletrões podem ser aproveitados para construir computadores quânticos que usem spins nucleares de longa vida para executar computações confiáveis.
Andrea Morello, Professor, Quantum Nanosystems, UNSW Sydney
Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.
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