Engenheiros da UNSW fizeram um avanço significativo na computação quântica: criaram ‘estados quânticos emaranhados’ – onde duas partículas separadas se tornam tão profundamente ligadas que não se comportam mais de forma independente – utilizando os spins de dois núcleos atômicos. Esses estados de emaranhamento são o recurso chave que confere aos computadores quânticos sua vantagem sobre os convencionais.
A pesquisa foi publicada em 18 de setembro na revista Science e é um passo importante na construção de computadores quânticos em larga escala – um dos desafios científicos e tecnológicos mais empolgantes do século 21.
A autora principal, Dra. Holly Stemp, afirma que a conquista desbloqueia o potencial para construir os futuros microchips necessários para a computação quântica usando tecnologia e processos de fabricação existentes.
“Conseguimos fazer os objetos quânticos mais limpos e isolados se comunicarem, na escala em que os dispositivos eletrônicos de silício padrão são atualmente fabricados,” diz ela.
O desafio enfrentado pelos engenheiros de computadores quânticos tem sido equilibrar duas necessidades opostas: proteger os elementos computacionais de interferências e ruídos externos, ao mesmo tempo em que permite que interajam para realizar cálculos significativos. Por isso, existem tantos tipos diferentes de hardware ainda na corrida para ser o primeiro computador quântico operacional: alguns são muito bons para realizar operações rápidas, mas sofrem com ruídos; outros estão bem protegidos contra ruídos, mas são difíceis de operar e escalar.
A equipe da UNSW investiu em uma plataforma que – até hoje – poderia ser colocada no segundo grupo. Eles usaram o spin de átomos de fósforo, implantados em um chip de silício, para codificar informações quânticas.
“O spin de um núcleo atômico é o objeto quântico mais limpo e isolado que se pode encontrar no estado sólido,” diz o Professor Scientia Andrea Morello, da Escola de Engenharia Elétrica e Telecomunicações da UNSW.
“Nos últimos 15 anos, nosso grupo pioneiro fez todos os avanços que tornaram essa tecnologia uma verdadeira concorrente na corrida da computação quântica. Já demonstramos que conseguimos manter informações quânticas por mais de 30 segundos – uma eternidade no mundo quântico – e realizar operações lógicas quânticas com menos de 1% de erros.”
“Fomos os primeiros do mundo a conseguir isso em um dispositivo de silício, mas tudo teve um preço: a mesma isolamento que torna os núcleos atômicos tão limpos, torna difícil conectá-los em um processador quântico de grande escala.”
Até agora, a única maneira de operar múltiplos núcleos atômicos era colocando-os muito próximos uns dos outros dentro de um sólido e cercados por um mesmo elétron.
“A maioria das pessoas pensa no elétron como a menor partícula subatômica, mas a física quântica nos diz que ele tem a capacidade de ‘se espalhar’ no espaço, para interagir com múltiplos núcleos atômicos,” diz a Dra. Holly Stemp, que conduziu esta pesquisa na UNSW e agora é pesquisadora pós-doutoral no MIT, em Boston.
“Mesmo assim, a faixa em que o elétron pode se espalhar é bastante limitada. Além disso, adicionar mais núcleos ao mesmo elétron torna muito desafiador controlar cada núcleo individualmente.”
Fazendo núcleos atômicos se comunicarem através de ‘telefones’ eletrônicos
“Por metáfora, pode-se dizer que, até agora, os núcleos eram como pessoas colocadas em uma sala à prova de som,” diz a Dra. Stemp.
“Eles podem conversar entre si, desde que estejam todos na mesma sala, e as conversas são realmente claras. Mas não conseguem ouvir nada do lado de fora, e só há espaço para tantas pessoas na sala. Esse modo de conversa não ‘escalona’.”
“Com essa descoberta, é como se tivéssemos dado telefones às pessoas para se comunicarem de outros cômodos. Todas as salas ainda estão calmas por dentro, mas agora podemos ter conversas entre muitas mais pessoas, mesmo que estejam longe.”
Os ‘telefones’ são, na verdade, elétrons. Mark van Blankenstein, outro autor do artigo, explica o que realmente está acontecendo a nível subatômico.
“Pela sua capacidade de se espalhar no espaço, dois elétrons podem ‘tocar’ um ao outro a uma distância considerável. E se cada elétron estiver diretamente acoplado a um núcleo atômico, os núcleos podem se comunicar por meio disso.”
Então, quão longe estavam os núcleos envolvidos nos experimentos?
“A distância entre nossos núcleos era de cerca de 20 nanômetros – um milésimo da largura de um fio de cabelo humano,” diz a Dra. Stemp.
“Isso não soa como muito, mas considere isto: se escalássemos cada núcleo para o tamanho de uma pessoa, a distância entre os núcleos seria aproximadamente a mesma que a entre Sydney e Boston!”
Ela acrescenta que 20 nanômetros é a escala em que os chips de computador de silício modernos são rotineiramente fabricados para funcionar em computadores pessoais e celulares.
“Você tem bilhões de transistores de silício em seu bolso ou bolsa agora mesmo, cada um com cerca de 20 nanômetros de tamanho. Este é nosso verdadeiro avanço tecnológico: fazer nossos objetos quânticos mais limpos e mais isolados se comunicarem entre si na mesma escala dos dispositivos eletrônicos existentes. Isso significa que podemos adaptar os processos de fabricação desenvolvidos pela indústria de semicondutores de trilhões de dólares para a construção de computadores quânticos baseados nos spins de núcleos atômicos.”
Um caminho escalável pela frente
Apesar da natureza exótica dos experimentos, os pesquisadores afirmam que esses dispositivos permanecem fundamentalmente compatíveis com a forma como todos os chips de computador atuais são construídos. Os átomos de fósforo foram introduzidos no chip pela equipe do Professor David Jamieson, da Universidade de Melbourne, usando uma lâmina de silício ultra-pura fornecida pelo Professor Kohei Itoh, da Universidade Keio no Japão.
Ao eliminar a necessidade de os núcleos atômicos estarem ligados ao mesmo elétron, a equipe da UNSW derrubou o maior obstáculo à ampliação de computadores quânticos de silício baseados em núcleos atômicos.
“Nosso método é notavelmente robusto e escalável. Aqui usamos apenas dois elétrons, mas no futuro podemos até adicionar mais elétrons e forçá-los em uma forma alongada, para espalhar os núcleos ainda mais,” diz o Prof. Morello.
“Os elétrons são fáceis de mover e ‘modelar’ em forma, o que significa que as interações podem ser ativadas e desativadas de forma rápida e precisa. Isso é exatamente o que é necessário para um computador quântico escalável.”
