Os físicos do MIT descobriram um novo bit quântico, ou “qubit”, na forma de pares vibrantes de átomos conhecidos como férmions. Eles descobriram que quando pares de férmions são resfriados e presos em uma rede óptica, as partículas podem existir simultaneamente em dois estados – um estranho fenômeno quântico conhecido como superposição. Nesse caso, os átomos mantinham uma superposição de dois estados vibracionais, nos quais o par balançava um contra o outro enquanto também balançava em sincronia, ao mesmo tempo.
A equipe conseguiu manter esse estado de superposição entre centenas de pares vibrantes de férmions. Ao fazer isso, eles conseguiram um novo “registro quântico”, ou sistema de qubits, que parece ser robusto por períodos de tempo relativamente longos. A descoberta, publicada hoje na revista Nature, demonstra que esses qubits instáveis podem ser uma base promissora para futuros computadores quânticos.
Um qubit representa uma unidade básica de computação quântica. Onde um bit clássico nos computadores de hoje realiza uma série de operações lógicas a partir de um dos dois estados, 0 ou 1, um qubit pode existir em uma superposição de ambos os estados. Enquanto estiver nesse delicado estado intermediário, um qubit deve ser capaz de se comunicar simultaneamente com muitos outros qubits e processar vários fluxos de informações ao mesmo tempo, para resolver rapidamente problemas que levariam anos para processar computadores clássicos.
Existem muitos tipos de qubits, alguns dos quais são projetados e outros que existem naturalmente. A maioria dos qubits são notoriamente inconstantes, incapazes de manter sua superposição ou não querendo se comunicar com outros qubits.
Em comparação, o novo qubit da equipe do MIT parece ser extremamente robusto, capaz de manter uma superposição entre dois estados vibracionais, mesmo em meio ao ruído ambiental, por até 10 segundos. A equipe acredita que os novos qubits vibrantes podem interagir brevemente e potencialmente realizar dezenas de milhares de operações em um piscar de olhos.
“Estimamos que deva levar apenas um milissegundo para esses qubits interagirem, então podemos esperar 10.000 operações durante esse tempo de coerência, o que pode ser competitivo com outras plataformas”, diz Martin Zwierlein, professor de física Thomas A. Frank no MIT. “Então, há uma esperança concreta de fazer esses qubits computarem”.
Zwierlein é coautor do artigo, juntamente com o autor principal Thomas Hartke, Botond Oreg e Ningyuan Jia, todos membros do Laboratório de Pesquisa Eletrônica do MIT.
Acidentes felizes
A descoberta da equipe inicialmente aconteceu por acaso. O grupo de Zwierlein estuda o comportamento dos átomos em densidades ultrafrias e superbaixas. Quando os átomos são resfriados a temperaturas de um milionésimo do espaço interestelar e isolados em densidades de um milionésimo do ar, fenômenos quânticos e novos estados da matéria podem surgir.
Sob essas condições extremas, Zwierlein e seus colegas estavam estudando o comportamento dos férmions. Um férmion é tecnicamente definido como qualquer partícula que tenha um spin meio inteiro ímpar, como nêutrons, prótons e elétrons. Em termos práticos, isso significa que os férmions são espinhosos por natureza. Dois férmions idênticos não podem ocupar o mesmo estado quântico – uma propriedade conhecida como princípio de exclusão de Pauli. Por exemplo, se um férmion gira para cima, o outro deve girar para baixo.
Os elétrons são exemplos clássicos de férmions, e sua exclusão mútua de Pauli é responsável pela estrutura dos átomos e pela diversidade da tabela periódica dos elementos, juntamente com a estabilidade de toda a matéria do universo. Os férmions também são qualquer tipo de átomo com um número ímpar de partículas elementares, pois esses átomos também se repeliriam naturalmente.
A equipe de Zwierlein estava estudando átomos fermiônicos de potássio-40. Eles resfriaram uma nuvem de férmions até 100 nanokelvins e usaram um sistema de lasers para gerar uma rede óptica para prender os átomos. Eles ajustaram as condições para que cada poço na rede prendesse um par de férmions. Inicialmente, eles observaram que, sob certas condições, cada par de férmions parecia se mover em sincronia, como uma única molécula.
Para sondar ainda mais esse estado vibracional, eles deram um chute em cada par de férmions, depois tiraram imagens de fluorescência dos átomos na rede e viram que, de vez em quando, a maioria dos quadrados na rede ficava escura, refletindo pares ligados em uma molécula. Mas à medida que continuavam a imaginar o sistema, os átomos pareciam reaparecer, de forma periódica, indicando que os pares estavam oscilando entre dois estados vibracionais quânticos.
“Muitas vezes, na física experimental, você tem algum sinal brilhante e, no momento seguinte, vai para o inferno, para nunca mais voltar”, diz Zwierlein. “Aqui, ficou escuro, mas depois claro novamente, e se repetindo. Essa oscilação mostra que há uma superposição coerente evoluindo ao longo do tempo. Foi um momento feliz.”
“Um zumbido baixo”
Após mais imagens e cálculos, os físicos confirmaram que os pares de férmions estavam mantendo uma superposição de dois estados vibracionais, movendo-se simultaneamente juntos, como dois pêndulos balançando em sincronia, e também em relação ou um contra o outro.
“Eles oscilam entre esses dois estados em cerca de 144 hertz”, observa Hartke. “Essa é uma frequência que você pode ouvir, como um zumbido baixo.”
A equipe conseguiu sintonizar essa frequência e controlar os estados vibracionais dos pares de férmions, em três ordens de grandeza, aplicando e variando um campo magnético, por meio de um efeito conhecido como ressonância de Feshbach.
“É como começar com dois pêndulos que não interagem e, ao aplicar um campo magnético, criamos uma mola entre eles e podemos variar a força dessa mola, afastando lentamente os pêndulos”, diz Zwierlein.
Desta forma, eles foram capazes de manipular simultaneamente cerca de 400 pares de férmions. Eles observaram que, como um grupo, os qubits mantinham um estado de superposição por até 10 segundos, antes que pares individuais entrassem em um ou outro estado vibracional.
“Mostramos que temos controle total sobre os estados desses qubits”, diz Zwierlein.
Para fazer um computador quântico funcional usando qubits vibrantes, a equipe terá que encontrar maneiras de controlar também pares de férmions individuais – um problema que os físicos já estão perto de resolver. O maior desafio será encontrar uma maneira de os qubits individuais se comunicarem uns com os outros. Para isso, Zwierlein tem algumas ideias.
“Este é um sistema onde sabemos que podemos fazer dois qubits interagirem”, diz ele. “Existem maneiras de diminuir a barreira entre os pares, para que eles se unam, interajam e se dividam novamente, por cerca de um milissegundo. Portanto, há um caminho claro em direção a um portão de dois qubits, que é o que você precisaria fazer um computador quântico.”
Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pela National Science Foundation, pela Gordon and Betty Moore Foundation, pela Vannevar Bush Faculty Fellowship e pela Alexander von Humboldt Foundation.
Publicado em 27/01/2022 18h33
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