Em um passo importante para fazer um computador quântico usando materiais do dia a dia, uma equipe liderada por pesquisadores da Universidade de Princeton construiu uma peça-chave de hardware de silício capaz de controlar o comportamento quântico entre dois elétrons com precisão extremamente alta. O estudo foi publicado em 7 de dezembro na revista Ciência .

A equipe construiu um portão que controla as interações entre os elétrons de uma forma que lhes permite atuar como bits quânticos de informação, ou qubits, necessário para a computação quântica. A demonstração disso quase sem erros, a porta de dois qubit é uma etapa inicial importante na construção de um dispositivo de computação quântica mais complexo de silício, o mesmo material usado em computadores convencionais e smartphones.

"Sabíamos que precisávamos fazer esse experimento funcionar se a tecnologia baseada em silício tivesse um futuro em termos de expansão e construção de um computador quântico, "disse Jason Petta, um professor de física na Universidade de Princeton. "A criação deste portão de dois qubit de alta fidelidade abre a porta para experimentos em maior escala."

Dispositivos baseados em silício são provavelmente mais baratos e mais fáceis de fabricar do que outras tecnologias para a obtenção de um computador quântico. Embora outros grupos de pesquisa e empresas tenham anunciado dispositivos quânticos contendo 50 ou mais qubits, esses sistemas requerem materiais exóticos, como supercondutores ou átomos carregados mantidos no lugar por lasers.

Os computadores quânticos podem resolver problemas inacessíveis aos computadores convencionais. Os dispositivos podem ser capazes de fatorar números extremamente grandes ou encontrar as soluções ideais para problemas complexos. Eles também podem ajudar os pesquisadores a compreender as propriedades físicas de partículas extremamente pequenas, como átomos e moléculas, levando a avanços em áreas como ciência de materiais e descoberta de medicamentos.

Construir um computador quântico requer que os pesquisadores criem qubits e os conectem uns aos outros com alta fidelidade. Dispositivos quânticos baseados em silício usam uma propriedade quântica de elétrons chamada "spin" para codificar informações. O spin pode apontar para cima ou para baixo de maneira análoga aos pólos norte e sul de um ímã. Em contraste, os computadores convencionais funcionam manipulando a carga negativa do elétron.

Alcançando um alto desempenho, O dispositivo quântico baseado em spin foi prejudicado pela fragilidade dos estados de spin - eles mudam facilmente de cima para baixo ou vice-versa, a menos que possam ser isolados em um ambiente muito puro. Ao construir os dispositivos quânticos de silício no Laboratório de Nanofabricação de Dispositivos Quânticos de Princeton, os pesquisadores conseguiram manter os spins coerentes, ou seja, em seus estados quânticos - por períodos relativamente longos de tempo.

Para construir a porta de dois qubit, os pesquisadores colocaram minúsculos fios de alumínio em um cristal de silício altamente ordenado. Os fios fornecem tensões que prendem dois elétrons individuais, separados por uma barreira de energia, em uma estrutura semelhante a um poço chamada de ponto quântico duplo.

Ao diminuir temporariamente a barreira de energia, os pesquisadores permitem que os elétrons compartilhem informações quânticas, criando um estado quântico especial denominado emaranhamento. Esses elétrons presos e emaranhados agora estão prontos para uso como qubits, que são como bits de computador convencionais, mas com superpoderes:enquanto um bit convencional pode representar um zero ou um 1, cada qubit pode ser simultaneamente um zero e um 1, expandindo muito o número de permutações possíveis que podem ser comparadas instantaneamente.

"O desafio é que é muito difícil construir estruturas artificiais pequenas o suficiente para capturar e controlar elétrons individuais sem destruir seus longos tempos de armazenamento, "disse David Zajac, um estudante de pós-graduação em física em Princeton e o primeiro autor do estudo. "Esta é a primeira demonstração de emaranhamento entre dois spins de elétrons no silício, um material conhecido por fornecer um dos ambientes mais limpos para estados de spin de elétrons. "

Os pesquisadores demonstraram que podem usar o primeiro qubit para controlar o segundo qubit, significando que a estrutura funcionou como uma porta NOT controlada (CNOT), que é a versão quântica de um componente de circuito de computador comumente usado. Os pesquisadores controlam o comportamento do primeiro qubit aplicando um campo magnético. O portão produz um resultado com base no estado do primeiro qubit:Se o primeiro giro for apontado para cima, então o spin do segundo qubit vai virar, mas se o primeiro giro for para baixo, o segundo não vai virar.

"O portão está basicamente dizendo que só fará algo com uma partícula se a outra estiver em uma determinada configuração, "Petta disse." O que acontece com uma partícula depende da outra partícula.

Os pesquisadores mostraram que podem manter os spins do elétron em seus estados quânticos com uma fidelidade superior a 99 por cento e que o portão funciona de forma confiável para inverter o spin do segundo qubit cerca de 75 por cento do tempo. A tecnologia tem o potencial de escalar para mais qubits com taxas de erro ainda mais baixas, de acordo com os pesquisadores.

“Este trabalho se destaca em uma corrida mundial para demonstrar o portão CNOT, um bloco de construção fundamental para a computação quântica, em qubits à base de silício, "disse HongWen Jiang, professor de física e astronomia na Universidade da Califórnia-Los Angeles. "A taxa de erro para a operação de dois qubit é inequivocamente comparada. É particularmente impressionante que este experimento extraordinariamente difícil, que requer a fabricação de um dispositivo sofisticado e um controle requintado dos estados quânticos, é feito em um laboratório universitário composto por apenas alguns pesquisadores. "