p Cientistas do Instituto de Física e Tecnologia da Academia Russa de Ciências e do MIPT deixaram dois elétrons soltos em um sistema de pontos quânticos para criar uma célula de memória quântica de computador de dimensão superior a de um qubit (um bit quântico). Em seu estudo publicado em Relatórios Científicos , os pesquisadores demonstram pela primeira vez como caminhadas quânticas de vários elétrons podem ajudar a implementar a computação quântica. p "Ao estudar o sistema com dois elétrons, resolvemos os problemas enfrentados no caso geral de duas partículas idênticas interagindo. Isso abre caminho para estruturas quânticas compactas de alto nível, "diz Leonid Fedichkin, professor associado do Departamento de Física Teórica do MIPT.

p Em questão de horas, um computador quântico seria capaz de hackear o criptossistema mais popular usado por navegadores da web. No que diz respeito a aplicações mais benevolentes, um computador quântico seria capaz de modelagem molecular que explica todas as interações entre as partículas envolvidas. Isso, por sua vez, permitiria o desenvolvimento de células solares altamente eficientes e novos medicamentos. Para ter aplicações práticas, um computador quântico precisa incorporar centenas ou mesmo milhares de qubits. E é aí que fica complicado.

p Acontece que a natureza instável da conexão entre qubits continua sendo o principal obstáculo que impede o uso de caminhadas quânticas de partículas para computação quântica. Ao contrário de seus análogos clássicos, estruturas quânticas são extremamente sensíveis ao ruído externo. Para evitar que um sistema de vários qubits perca as informações armazenadas nele, nitrogênio líquido (ou hélio) precisa ser usado para resfriamento. Muitos esquemas foram propostos para a realização experimental de um qubit separado. Em um estudo anterior, uma equipe de pesquisa liderada pelo Prof. Fedichkin demonstrou que um qubit pode ser fisicamente implementado como uma partícula "fazendo uma caminhada quântica" entre dois semicondutores extremamente pequenos conhecidos como pontos quânticos, que são conectados por um "túnel quântico". Da perspectiva de um elétron, os pontos quânticos representam poços potenciais. Assim, a posição do elétron pode ser usada para codificar os dois estados básicos do qubit— | 0? e | 1? - dependendo se a partícula está em um poço ou em outro. Em vez de sentar em um dos dois poços, o elétron é espalhado entre os dois estados diferentes, assumindo uma posição definida apenas quando suas coordenadas são medidas. Em outras palavras, está em uma superposição de dois estados.

p Se um estado emaranhado é criado entre vários qubits, seus estados individuais não podem mais ser descritos separadamente um do outro, e qualquer descrição válida deve referir-se ao estado de todo o sistema. Isso significa que um sistema de três qubits tem um total de oito estados básicos e está em uma superposição deles:A | 000⟩ + B | 001⟩ + C | 010⟩ + D | 100⟩ + E | 011⟩ + F | 101⟩ + G | 110⟩ + H | 111⟩. Ao influenciar o sistema, um afeta inevitavelmente todos os oito coeficientes, ao passo que influenciar um sistema de bits regulares afeta apenas seus estados individuais. Por implicação, n bits podem armazenar n variáveis, enquanto n qubits podem armazenar 2 ⁿ variáveis. Qudits oferecem uma vantagem ainda maior, já que n qudits de quatro níveis (também conhecidos como ququarts) podem codificar 4 ⁿ , ou 2 ⁿ × 2 ⁿ variáveis. Para colocar isso em perspectiva, 10 quartos armazenam aproximadamente 100, 000 vezes mais informações do que 10 bits. Com maiores valores de n, os zeros neste número começam a se acumular muito rapidamente.

p Neste estudo, Alexey Melnikov e Leonid Fedichkin obtêm um sistema de dois qudits implementado como dois elétrons emaranhados caminhando quânticos em torno do chamado gráfico de ciclo. Para fazer um, os cientistas tiveram que "conectar os pontos, "formando um círculo (mais uma vez, estes são pontos quânticos, e eles estão conectados por tunelamento quântico). O emaranhamento dos dois elétrons é causado pela repulsão eletrostática mútua experimentada por cargas semelhantes. É possível criar um sistema de ainda mais qudits no mesmo volume de material semicondutor. Para fazer isso, é necessário conectar pontos quânticos em um padrão de caminhos sinuosos e ter mais elétrons errantes. A abordagem das caminhadas quânticas para a computação quântica é conveniente porque se baseia em um processo natural. No entanto, a presença de dois elétrons idênticos na mesma estrutura era uma fonte de dificuldades adicionais que permaneceram sem solução.

p O fenômeno do emaranhamento de partículas desempenha um papel fundamental no processamento de informações quânticas. Contudo, em experimentos com partículas idênticas, pode surgir um falso emaranhamento entre os elétrons que não estão interagindo, que deve ser distinguido do emaranhamento genuíno. Para fazer isso, os cientistas realizaram cálculos matemáticos para ambos os casos, viz., com e sem emaranhamento. Eles observaram a mudança na distribuição de probabilidades para os casos com seis, oito, 10, e 12 pontos, ou seja, para um sistema de dois qudits com três, quatro, cinco, e seis níveis cada. Os cientistas demonstraram que o sistema proposto é caracterizado por um grau de estabilidade relativamente alto.

p Até aqui, os cientistas não conseguiram conectar um número suficiente de qubits para o desenvolvimento de um computador quântico. O trabalho dos pesquisadores russos aproxima a ciência da computação de um futuro em que as computações quânticas são comuns. E embora existam algoritmos que os computadores quânticos nunca poderiam acelerar, outros ainda se beneficiariam enormemente de dispositivos capazes de explorar o potencial de um grande número de qubits (ou qudits). Só isso já seria o suficiente para nos salvar alguns milhares de anos.