Como a informação quântica pode ser armazenada o maior tempo possível? Um importante passo à frente no desenvolvimento de memórias quânticas foi alcançado por uma equipe de pesquisa da TU Wien.

As memórias convencionais usadas nos computadores de hoje só diferenciam entre os valores de bit 0 e 1. Na física quântica, Contudo, sobreposições arbitrárias desses dois estados são possíveis. A maioria das idéias para novos dispositivos de tecnologia quântica se baseia neste "Princípio da Superposição". Um dos principais desafios no uso de tais estados é que eles geralmente têm vida curta. Apenas por um curto período de tempo as informações podem ser lidas de memórias quânticas de forma confiável, depois disso, é irrecuperável.

p Uma equipe de pesquisa da TU Wien agora deu um passo importante no desenvolvimento de novos conceitos de armazenamento quântico. Em cooperação com a gigante japonesa de telecomunicações NTT, os pesquisadores vienenses liderados por Johannes Majer estão trabalhando em memórias quânticas baseadas em átomos de nitrogênio e microondas. Os átomos de nitrogênio têm propriedades ligeiramente diferentes, o que rapidamente leva à perda do estado quântico. Alterando especificamente uma pequena porção dos átomos, pode-se trazer os átomos restantes para um novo estado quântico, com uma melhoria ao longo da vida de mais de um fator de dez. Esses resultados já foram publicados na revista Nature Photonics .

p Nitrogênio em diamante

"Usamos diamantes sintéticos nos quais átomos de nitrogênio individuais são implantados", explica o líder do projeto, Johannes Majer, do Instituto de Física Atômica e Subatômica da TU Wien. "O estado quântico desses átomos de nitrogênio é acoplado às microondas, resultando em um sistema quântico no qual armazenamos e lemos informações. "

Contudo, o tempo de armazenamento nesses sistemas é limitado devido ao alargamento não homogêneo da transição de microondas nos átomos de nitrogênio do cristal de diamante. Depois de cerca de meio microssegundo, o estado quântico não pode mais ser lido de forma confiável, o sinal real é perdido. Johannes Majer e sua equipe usaram um conceito conhecido como "queima de orifícios espectrais", permitindo que os dados sejam armazenados na faixa ótica de mídia não homogeneamente ampliada, e adaptou-o para circuitos quânticos supra-condutores e memórias quânticas de spin.

p Dmitry Krimer, Benedikt Hartl e Stefan Rotter (Instituto de Física Teórica, TU Wien) mostraram em seu trabalho teórico que tais estados, que estão amplamente dissociados do ruído perturbador, também existem nesses sistemas. "O truque é manobrar o sistema quântico para esses estados duráveis ​​por meio de manipulação específica, com o objetivo de armazenar informações lá, "explica Dmitry Krimer.

Excluindo energias específicas

"As áreas de transição nos átomos de nitrogênio têm níveis de energia ligeiramente diferentes por causa das propriedades locais do cristal de diamante não muito perfeito", explica Stefan Putz, o primeiro autor do estudo, que desde então se mudou da TU Wien para a Universidade de Princeton. "Se você usar microondas para mudar seletivamente alguns átomos de nitrogênio que têm energias muito específicas, você pode criar um "buraco espectral". Os átomos de nitrogênio restantes podem ser trazidos para um novo estado quântico, um chamado "estado escuro", no centro desses buracos. Este estado é muito mais estável e abre possibilidades completamente novas. "

p “Nosso trabalho é uma 'prova de princípio' - apresentamos um novo conceito, mostre que funciona, e queremos lançar as bases para uma maior exploração de protocolos operacionais inovadores de dados quânticos, "diz Stefan Putz.

p Com este novo método, o tempo de vida dos estados quânticos do sistema acoplado de microondas e átomos de nitrogênio aumentou em mais de uma ordem de magnitude para cerca de cinco microssegundos. Isso ainda não é muito no padrão da vida cotidiana, mas, neste caso, é suficiente para importantes aplicações tecnológicas quânticas. "A vantagem do nosso sistema é que se pode escrever e ler informações quânticas em nanossegundos, "explica Johannes Majer." Um grande número de etapas de trabalho são, portanto, possíveis em microssegundos, no qual o sistema permanece estável. "