A entrada dos computadores quânticos na sociedade está atualmente prejudicada por sua sensibilidade a distúrbios no ambiente. Pesquisadores da Universidade de Chalmers, na Suécia, e da Universidade Aalto e da Universidade de Helsinque, na Finlândia, agora apresentam um novo tipo de material quântico exótico e um método que usa magnetismo para criar estabilidade. Essa descoberta pode tornar os computadores quânticos significativamente mais resilientes – abrindo caminho para que sejam robustos o suficiente para enfrentar cálculos quânticos na prática.
No nível atômico, as leis da física se afastam das do nosso mundo comum em grande escala. Lá, as partículas aderem às leis da física quântica, o que significa que podem existir em múltiplos estados simultaneamente e influenciar umas às outras de maneiras que não são possíveis dentro da física clássica. Esses fenômenos peculiares, mas poderosos, contêm a chave para a computação quântica e computadores quânticos, que têm o potencial de resolver problemas que nenhum supercomputador convencional pode lidar hoje.
No entanto, antes que os cálculos quânticos possam beneficiar a sociedade na prática, os físicos precisam resolver um desafio importante. Os qubits, as unidades básicas de um computador quântico, são extremamente delicados. A menor alteração na temperatura, no campo magnético ou mesmo em vibrações microscópicas faz com que os qubits percam seus estados quânticos – e, assim, também sua capacidade de realizar cálculos complexos de forma confiável.
Para resolver o problema, pesquisadores nos últimos anos começaram a explorar a possibilidade de criar materiais que possam fornecer melhor proteção contra esses tipos de distúrbios e ruídos em sua estrutura fundamental – sua topologia. Os estados quânticos que surgem e são mantidos através da estrutura do material utilizado nos qubits são chamados de exitações topológicas e são significativamente mais estáveis e resilientes do que outros. No entanto, o desafio continua sendo encontrar materiais que naturalmente suportem tais estados quânticos robustos.
Novo material desenvolvido protege contra distúrbios
Agora, uma equipe de pesquisa da Universidade de Chalmers, da Universidade Aalto e da Universidade de Helsinque desenvolveu um novo material quântico para qubits que exibe exitações topológicas robustas. Esta descoberta é um passo importante em direção à realização da computação quântica topológica prática, construindo estabilidade diretamente no design do material.
“Este é um tipo completamente novo de material quântico exótico que pode manter suas propriedades quânticas quando exposto a distúrbios externos. Pode contribuir para o desenvolvimento de computadores quânticos robustos o suficiente para enfrentar cálculos quânticos na prática”, afirma Guangze Chen, pesquisador de pós-doutorado em física quântica aplicada na Chalmers e autor principal do estudo publicado na Physical Review Letters.
‘Materiais quânticos exóticos’ é um termo guarda-chuva para várias classes novas de sólidos com propriedades quânticas extremas. A busca por tais materiais, com propriedades especiais de resiliência, tem sido um desafio de longa data.
O magnetismo é a chave na nova estratégia
Tradicionalmente, os pesquisadores seguiram uma ‘receita’ bem estabelecida baseada em acoplamento spin-órbita, uma interação quântica que liga o spin do elétron ao seu movimento orbital em torno do núcleo atômico para criar excitação topológicas. No entanto, este ‘ingrediente’ é relativamente raro, e o método só pode ser aplicado a um número limitado de materiais.
No estudo, a equipe de pesquisa apresenta um método completamente novo que utiliza o magnetismo – um ingrediente muito mais comum e acessível – para alcançar o mesmo efeito. Aproveitando as interações magnéticas, os pesquisadores conseguiram engenharia as exitações topológicas robustas necessárias para a computação quântica topológica.
“A vantagem do nosso método é que o magnetismo existe naturalmente em muitos materiais. Podemos comparar isso a cozinhar com ingredientes do dia a dia em vez de usar temperos raros”, explica Guangze Chen. “Isso significa que agora podemos buscar por propriedades topológicas em um espectro muito mais amplo de materiais, incluindo aqueles que foram negligenciados anteriormente.”
Preparando o caminho para plataformas de computadores quânticos de próxima geração
Para acelerar a descoberta de novos materiais com propriedades topológicas úteis, a equipe de pesquisa também desenvolveu uma nova ferramenta computacional. A ferramenta pode calcular diretamente o quão fortemente um material exibe comportamento topológico.
“Nossa esperança é que essa abordagem possa ajudar a guiar a descoberta de muitos mais materiais exóticos”, diz Guangze Chen. “Em última análise, isso pode levar a plataformas de computadores quânticos de próxima geração, construídas sobre materiais que são naturalmente resistentes aos tipos de distúrbios que afetam os sistemas atuais.”
