Pesquisadores da Universidade de Oxford criaram recentemente uma memória quântica dentro de um nó de rede quântica de íons presos. Seu design de memória exclusivo, apresentado em um artigo na Physical Review Letters, foi considerado extremamente robusto, o que significa que ele pode armazenar informações por longos períodos de tempo, apesar da atividade contínua da rede.
“Estamos construindo uma rede de computadores quânticos, que usam íons aprisionados para armazenar e processar informações quânticas”, disse Peter Drmota, um dos pesquisadores que realizou o estudo, à Phys.org. “Para conectar dispositivos de processamento quântico, usamos fótons únicos emitidos de um único íon atômico e utilizamos o emaranhamento quântico entre esse íon e os fótons”.
Os íons presos, partículas atômicas carregadas que são confinadas no espaço usando campos eletromagnéticos, são uma plataforma comumente usada para realizar cálculos quânticos. Os fótons (ou seja, as partículas de luz), por outro lado, são geralmente usados para transmitir informações quânticas entre nós distantes. Drmota e seus colegas têm explorado a possibilidade de combinar íons aprisionados com fótons, para criar tecnologias quânticas mais poderosas.
“Até agora, implementamos uma maneira confiável de conectar íons e fótons de estrôncio e usamos isso para gerar emaranhamento remoto de alta qualidade entre dois nós de rede distantes”, disse Drmota. “Por outro lado, lógica quântica de alta fidelidade e memórias duradouras foram desenvolvidas para íons de cálcio. Neste experimento, combinamos esses recursos pela primeira vez e mostramos que é possível criar emaranhamento de alta qualidade entre um íon de estrôncio e um fóton e depois armazenar esse emaranhado em um íon de cálcio próximo.”
Integrar uma memória quântica em um nó de rede é uma tarefa desafiadora, pois os critérios que precisam ser cumpridos para tal sistema funcionar são maiores do que os necessários para a criação de um processador quântico autônomo. Mais notavelmente, a memória desenvolvida precisaria ser robusta contra atividades de rede simultâneas.
“Isso significa que as informações quânticas armazenadas na memória não devem se degradar enquanto um link de rede é estabelecido”, explicou Drmota. “Isso requer isolamento extremo entre a memória e a rede, mas, ao mesmo tempo, também precisa haver um mecanismo rápido e confiável que acople a memória à rede quando necessário.”
Para criar sua memória quântica, Drmota e seus colegas usaram duas espécies atômicas diferentes, ou seja, estrôncio e cálcio, pois isso lhes permitiu minimizar o crosstalk ao estabelecer um link de rede. O crosstalk limitado nesta arquitetura de espécies mistas também permitiu que eles detectassem erros em tempo real e utilizassem o que é conhecido como resfriamento em sequência. Portões emaranhados de espécies mistas forneciam a conexão que faltava entre a rede e a memória.
“Uma das fontes de erro técnico que enfrentamos com qubits de íons presos é a defasagem devido ao ruído do campo magnético”, disse Drmota. “No entanto, o cálcio-43 apresenta transições que são insensíveis aos campos magnéticos, eliminando esse erro, aumentando assim seu tempo de coerência. Enquanto o estrôncio-88 é perfeitamente adequado para gerar fótons para redes, ele é sensível ao ruído do campo magnético.”
Embora o estrôncio-88 seja sensível ao ruído do campo magnético, os pesquisadores conseguiram preservar o emaranhamento entre seu íon de memória e um fóton por mais tempo, transferindo informações quânticas do estrôncio para o cálcio no sistema. Especificamente, eles poderiam preservar esse emaranhamento por mais de 10 segundos, o que é pelo menos 1.000 vezes mais do que o observado entre um íon de estrôncio nu e um fóton.
“Além disso, o íon estrôncio pode ser reutilizado para gerar mais fótons emaranhados, e mostramos que esse processo não afeta a fidelidade do emaranhamento entre a memória e o fóton anterior, alcançando robustez para a atividade da rede”, disse Drmota. “Notavelmente, conseguimos integrar a complexidade associada a várias técnicas desafiadoras, que foram desenvolvidas isoladamente em diferentes configurações ao longo de muitos anos, em um único experimento”.
Nos testes iniciais, a memória quântica criada por Drmota e seus colegas alcançou resultados muito promissores, pois se mostrou altamente robusta, preservando o emaranhamento entre um íon aprisionado e um fóton por pelo menos 10s. A demonstração dessa memória quântica pela equipe pode ser um marco importante na busca contínua para realizar o processamento distribuído de informações quânticas.
Usando seu design, os nós computacionais quânticos individuais podem ser carregados com um determinado número de qubits de processamento (ou seja, cálcio), enquanto o qubit da rede (ou seja, estrôncio) pode ser usado para criar links quânticos entre módulos distantes. Por fim, essa promissora memória quântica pode abrir caminho para a criação de sistemas de computação quântica escaláveis, pois o uso de pequenos módulos que podem processar informações quânticas e interligá-los com outros módulos contorna a necessidade de armadilhas de íons grandes e complexas.
“A memória quântica robusta pode ser usada em repetidores quânticos, para computação quântica privada (cega), e é a chave para novos desenvolvimentos em comunicações quânticas, metrologia e manutenção do tempo”, acrescentou Drmota. “Por exemplo, para o campo nascente de relógios atômicos emaranhados, as longas durações de armazenamento de emaranhamento alcançadas em nossos experimentos levarão a uma melhoria de ordem de grandeza na precisão da comparação de frequência entre relógios distantes”.
Publicado em 28/03/2023 11h23
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