Uma técnica para manipular elétrons com luz pode trazer a computação quântica à temperatura ambiente.

Uma equipe de pesquisadores na Alemanha e na Universidade de Michigan demonstrou como os pulsos de laser infravermelho podem deslocar elétrons entre dois estados diferentes, o clássico 1 e 0, em uma fina folha de semicondutor.

"Eletrônicos comuns estão na faixa de gigahertz, um bilhão de operações por segundo. Este método é um milhão de vezes mais rápido, "disse Mackillo Kira, Professor U-M de engenharia elétrica e ciência da computação.

Ele liderou a parte teórica do estudo, a ser publicado no jornal Natureza , colaborando com físicos da Universidade de Marburg na Alemanha. O experimento foi feito na Universidade de Regensburg, na Alemanha.

A computação quântica pode resolver problemas que demoram muito em computadores convencionais, áreas avançadas, como inteligência artificial, previsão do tempo e design de medicamentos. Os computadores quânticos obtêm seu poder da maneira que seus bits de mecânica quântica, ou qubits, não são apenas 1s ou 0s, mas podem ser misturas - conhecidas como superposições - desses estados.

"Em um computador clássico, cada configuração de bit deve ser armazenada e processada um por um, enquanto um conjunto de qubits pode armazenar e processar idealmente todas as configurações com uma execução, "Kira disse.

Isso significa que quando você deseja analisar um monte de soluções possíveis para um problema e encontrar a melhor opção, a computação quântica pode levar você lá muito mais rápido.

Mas os qubits são difíceis de fazer porque os estados quânticos são extremamente frágeis. A principal rota comercial, perseguido por empresas como a Intel, IBM, Microsoft e D-Wave, usa circuitos supercondutores - loops de fio resfriados a temperaturas extremamente baixas (-321 ° F ou menos), no qual os elétrons param de colidir uns com os outros e, em vez disso, formam estados quânticos compartilhados por meio de um fenômeno conhecido como coerência.

Em vez de encontrar uma maneira de se agarrar a um estado quântico por muito tempo, o novo estudo demonstra uma maneira de fazer o processamento antes que os estados se desintegrem.

"A longo prazo, vemos uma chance realista de introduzir dispositivos de informação quântica que realizam operações mais rápido do que uma única oscilação de uma onda de luz, "disse Rupert Huber, professor de física da Universidade de Regensburg, quem conduziu o experimento. "O material é relativamente fácil de fazer, funciona em temperatura ambiente, e com apenas alguns átomos de espessura, é maximamente compacto. "

O material é uma única camada de tungstênio e selênio em uma estrutura de favo de mel. Essa estrutura produz um par de estados de elétrons conhecidos como pseudospins. Não é o spin do elétron (e mesmo assim, físicos alertam que os elétrons não estão girando), mas é uma espécie de momento angular. Esses dois pseudospins podem codificar o 1 e o 0.

A equipe de Huber introduziu elétrons nesses estados com pulsos rápidos de luz infravermelha, durando apenas alguns femtossegundos (quintilionésimos de segundo). O pulso inicial tem seu próprio spin, conhecido como polarização circular, que envia elétrons para um estado de pseudospin. Então, pulsos de luz sem spin (polarizados linearmente) podem empurrar os elétrons de um pseudo-spin para o outro - e vice-versa.

Ao tratar esses estados como 1 e 0 comuns, poderia ser possível criar um novo tipo de computador "lightwave" com a velocidade do relógio milhões de vezes mais rápida que Kira mencionou. O primeiro desafio ao longo dessa rota será usar um trem de pulsos de laser para "virar" os pseudo-pinos à vontade.

Mas os elétrons também podem formar estados de superposição entre os dois pseudospins. Com uma série de pulsos, deve ser possível realizar cálculos até que os elétrons saiam de seu estado coerente. A equipe mostrou que eles podiam virar um qubit rápido o suficiente para executar uma série de operações - basicamente, é rápido o suficiente para funcionar em um processador quântico.

Além disso, os elétrons estão constantemente enviando luz que facilita a leitura de um qubit sem perturbar seu delicado estado quântico. A polarização circular no sentido horário indica um estado de pseudospin, no sentido anti-horário o outro.

Os próximos passos em direção à computação quântica serão obter dois qubits ao mesmo tempo, perto o suficiente um do outro para interagir. Isso pode envolver o empilhamento de folhas planas de semicondutores ou o uso de técnicas de nanoestruturação para isolar qubits dentro de uma única folha, por exemplo.