As moléculas têm uma estrutura muito complexa e rica, que lhes permite girar e vibrar livremente. Como resultado, eles têm um espaço quase ilimitado no qual os cientistas da computação podem codificar informações quânticas. Além de seu vasto espaço interno, as moléculas são capazes de interações de longo alcance e, portanto, podem ser emaranhadas com outras moléculas separadas.
Devido a essas qualidades vantajosas, muitos engenheiros e físicos têm investigado o uso potencial de moléculas para aplicações de computação quântica. Embora alguns computadores quânticos baseados em moléculas tenham alcançado resultados promissores, os cientistas descobriram que os qubits armazenados nas moléculas são suscetíveis à decoerência (ou seja, uma perda de informação que viaja de um sistema quântico para seu ambiente circundante).
Pesquisadores da Durham University, no Reino Unido, realizaram recentemente um estudo com o objetivo de investigar o potencial de armazenamento de informações quânticas em moléculas polares ultracold. Em seu artigo, publicado na Nature Physics, a equipe demonstrou com sucesso o armazenamento de qubits em moléculas enquanto limita a decoerência, o que pode ter implicações importantes para o desenvolvimento de ferramentas de computação quântica.
“Um dos grandes desafios enfrentados por todas as plataformas de computação quântica é desenvolver métodos de engenharia que evitem a perda de informações quânticas por meio da decoerência”, disse Philip D. Gregory e Simon L. Cornish, dois dos pesquisadores que realizaram o estudo, a Phys.org por e-mail . “Nosso objetivo principal era, portanto, demonstrar que a informação quântica poderia ser armazenada em uma molécula por tempos excepcionalmente longos, atendendo assim a um dos requisitos para a construção de um computador quântico usando moléculas ultracold.”
O objetivo principal do trabalho recente de Gregory, Cornish e seus colegas foi identificar, compreender e, finalmente, eliminar todas as fontes experimentalmente relevantes de decoerência em qubits armazenados em moléculas. Inicialmente, a equipe mediu a coerência em seu sistema quântico usando uma técnica conhecida como interferometria de Ramsey em diferentes estados do qubit. Eles então prepararam uma superposição dos estados de qubit usando microondas e permitiram que o sistema evoluísse ao longo do tempo.
“Para testar a coerência, usamos um segundo pulso de microondas que leva à interferência dependente de fase entre as populações do estado”, explicaram Gregory e Cornish. “O que observamos são oscilações no número de moléculas em qualquer estado do qubit em função do tempo, e também descobrimos que a decoerência é caracterizada por uma redução na amplitude ou no contraste dessas oscilações.”
Usando seu método baseado em pulsos de microondas, Gregory, Cornish e seus colegas foram capazes de examinar o tempo de coerência como uma função de qualquer parâmetro usado em seu experimento (por exemplo, o campo magnético ou a polarização da luz de captura), simplesmente alterando o valor do parâmetro para o período entre os pulsos de microondas na sequência de Ramsey. Finalmente, eles compararam suas descobertas com um modelo detalhado da estrutura rotacional e hiperfina da molécula em que os qubits foram armazenados. Isso permitiu que eles entendessem os papéis exclusivos das diferentes interações dentro da molécula que podem contribuir para a perda de coerência do sistema.
“Nossa conquista mais importante é a eliminação das fontes de decoerência em nosso experimento”, disseram Gregory e Cornish. “Isso tem implicações para a computação quântica com moléculas ultracold, já que as informações quânticas agora podem ser armazenadas por períodos de tempo muito mais longos.”
Em seu experimento, os pesquisadores conseguiram eliminar a sensibilidade ao ruído do campo magnético ao identificar um par de estados hiperfinos que, quando submetidos a um campo magnético específico, possuem uma diferença de energia entre eles que não depende de pequenas mudanças no campo magnético. Além disso, Gregory, Cornish e seus colegas descobriram uma mudança sutil de tensor de luz entre os estados de qubit. No entanto, eles mostraram que essa mudança também poderia ser eliminada escolhendo cuidadosamente o ângulo de polarização do laser de captura.
“Notavelmente, tendo eliminado todas essas fontes de decoerência, descobrimos que o tempo de coerência era muito mais longo do que o tempo de vida do nosso gás molecular (que é limitado pela perda por colisão)”, disseram Gregory e Cornish.
No futuro, este trabalho pode informar o desenvolvimento de novas tecnologias quânticas que armazenam informações dentro das moléculas. Além disso, pode ter implicações valiosas para a coleta de medições, já que as técnicas usadas por Gregory, Cornish e seus colegas permitem tempos de interação particularmente longos com as moléculas. Isso significa que ele poderia ser usado para coletar medições altamente precisas em estados hiperfinos de moléculas, o que poderia, por sua vez, ampliar o conhecimento atual de sua estrutura interna.
“Operações de porta com moléculas ultracold são possíveis usando interações dipolo-dipolo ressonantes”, disse Gregory e Cornish. “Essas interações podem ser acessadas usando os estados rotacionais da molécula. Atualmente estamos desenvolvendo uma armadilha mágica rotacional, onde o deslocamento da luz do solo e os primeiros estados excitados rotacionalmente serão idênticos. Essa armadilha suportará uma longa coerência entre os estados rotacionais, que será importante para implementar portas de emaranhamento de alta fidelidade, bem como estudar modelos relevantes para o magnetismo quântico. ”
Para várias aplicações de computação quântica, o uso de moléculas ultracold só é possível se as moléculas estão confinadas em uma matriz espacial controlável e podem ser monitoradas e acessadas individualmente. Gregory, Cornish e seus colegas estão, portanto, agora também trabalhando em uma estratégia para carregar moléculas em redes óticas e montar moléculas individuais em matrizes, armazenando-as em armadilhas de pinça ótica.
“Isolar as moléculas desta forma também evitará colisões entre as moléculas”, acrescentaram Gregory e Cornish. “Isso aumentará ainda mais o tempo de interação disponível e nos permitirá colocar melhores limites no tempo de coerência no futuro.”
Publicado em 29/09/2021 07h26
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