Em uma série de artigos, os pesquisadores de Rochester relatam avanços importantes na melhoria da transferência de informações em sistemas quânticos.
A ciência quântica tem o potencial de revolucionar a tecnologia moderna com computadores, comunicações e dispositivos de detecção mais eficientes. Mas os desafios permanecem para alcançar esses objetivos tecnológicos, especialmente quando se trata de transferir informações de forma eficaz em sistemas quânticos.
Os bits são usados para representar informações em computadores normais. Os computadores quânticos, por outro lado, são baseados em bits quânticos, também conhecidos como qubits, que podem ser feitos de um único elétron.
Ao contrário dos transistores comuns, que podem ser “0” (desligado) ou “1” (ligado), os qubits podem ser “0” e “1” ao mesmo tempo. A capacidade dos qubits individuais de ocupar esses chamados estados de superposição, onde estão em vários estados simultaneamente, está na base do grande potencial dos computadores quânticos. Assim como os computadores comuns, no entanto, os computadores quânticos precisam de uma maneira de transferir informações quânticas entre qubits distantes – e isso apresenta um grande desafio experimental.
Em uma série de artigos publicados na Nature Communications, pesquisadores da Universidade de Rochester, incluindo John Nichol, um professor assistente de física e astronomia, e os alunos de pós-graduação Yadav Kandel e Haifeng Qiao, os principais autores dos artigos, relatam grandes avanços no aprimoramento computação quântica, melhorando a transferência de informações entre elétrons em sistemas quânticos.
Em um artigo, os pesquisadores demonstraram uma rota de transferência de informações entre qubits, chamada de transferência de estado quântico adiabático (AQT), pela primeira vez com qubits de spin de elétron. Ao contrário da maioria dos métodos de transferência de informações entre qubits, que dependem de pulsos de campo elétrico ou magnético cuidadosamente ajustados, o AQT não é tão afetado por erros de pulso e ruído.
Para ter uma ideia de como o AQT funciona, imagine que você está dirigindo seu carro e quer estacioná-lo. Se você não pisar no freio no momento adequado, o carro não estará onde você deseja, com potenciais consequências negativas. Nesse sentido, os pulsos de controle – os pedais do acelerador e do freio – para o carro devem ser ajustados com cuidado. O AQT é diferente porque não importa quanto tempo você pressiona os pedais ou com que força você os pressiona: o carro sempre vai parar no lugar certo. Como resultado, o AQT tem o potencial de melhorar a transferência de informações entre qubits, o que é essencial para redes quânticas e correção de erros.
Os pesquisadores demonstraram a eficácia do AQT explorando o emaranhamento – um dos conceitos básicos da física quântica em que as propriedades de uma partícula afetam as propriedades de outra, mesmo quando as partículas estão separadas por uma grande distância. Os pesquisadores foram capazes de usar AQT para transferir o estado de spin quântico de um elétron através de uma cadeia de quatro elétrons em pontos quânticos semicondutores – minúsculos semicondutores em nanoescala com propriedades notáveis. Esta é a cadeia mais longa pela qual um estado de spin já foi transferido, amarrando o recorde estabelecido pelos pesquisadores em um artigo anterior da Nature.
“Como o AQT é robusto contra erros de pulso e ruído, e por causa de suas principais aplicações potenciais em computação quântica, esta demonstração é um marco importante para a computação quântica com qubits de spin”, diz Nichol.
Explorando um estranho estado da matéria
Em um segundo artigo, os pesquisadores demonstraram outra técnica de transferência de informações entre qubits, usando um estado exótico da matéria chamado cristais de tempo. Um cristal de tempo é um estranho estado da matéria no qual as interações entre as partículas que constituem o cristal podem estabilizar as oscilações do sistema no tempo indefinidamente. Imagine um relógio que continua correndo para sempre; o pêndulo do relógio oscila no tempo, da mesma forma que o cristal oscilante do tempo.
Ao implementar uma série de pulsos de campo elétrico nos elétrons, os pesquisadores foram capazes de criar um estado semelhante a um cristal de tempo. Eles descobriram que poderiam explorar esse estado para melhorar a transferência do estado de spin de um elétron em uma cadeia de pontos quânticos semicondutores.
“Nosso trabalho dá os primeiros passos para mostrar como estados estranhos e exóticos da matéria, como cristais de tempo, podem ser potencialmente usados para aplicações de processamento de informações quânticas, como transferência de informações entre qubits”, diz Nichol. “Teoricamente, também mostramos como esse cenário pode implementar outras operações de qubit único e múltiplo que podem ser usadas para melhorar o desempenho de computadores quânticos.”
Ambos AQT e cristais de tempo, embora diferentes, podem ser usados simultaneamente com sistemas de computação quântica para melhorar o desempenho.
“Esses dois resultados ilustram as formas estranhas e interessantes que a física quântica permite que as informações sejam enviadas de um lugar para outro, o que é um dos principais desafios na construção de redes e computadores quânticos viáveis”, diz Nichol.
Publicado em 08/05/2021 11h02
Artigo original:
Estudo original: