Pulsos de luz de formas complexas abrem caminho para a dinâmica acelerada de partículas quânticas, permitindo comutação mais rápida de um bit quântico. Crédito:Peter Allen.
De laptops a celulares, a tecnologia atual avança por meio da velocidade cada vez maior em que as cargas elétricas são direcionadas pelos circuitos. De forma similar, acelerar o controle sobre os estados quânticos em sistemas atômicos e em nanoescala pode levar a saltos para o campo emergente da tecnologia quântica.
Uma colaboração internacional entre físicos da Universidade de Chicago, Laboratório Nacional de Argonne, Universidade McGill, e a Universidade de Konstanz recentemente demonstrou uma nova estrutura para controle mais rápido de um bit quântico. Publicado pela primeira vez online em 28 de novembro, 2016, no Física da Natureza , seus experimentos com um único elétron em um chip de diamante poderiam criar dispositivos quânticos menos propensos a erros quando operados em altas velocidades.
Acelerando a dinâmica quântica
Para entender seu experimento, pode-se olhar para o cenário definitivo de velocidade na dinâmica clássica:as pistas ovais de Indianápolis ou Daytona 500. Para permitir que os carros de corrida naveguem nas curvas em velocidades incríveis, o pavimento da pista de corrida é "inclinado" em até 30 graus. Um estudante de mecânica newtoniana poderia explicar que esta inclinação interna do pavimento permite que a força normal fornecida pela estrada ajude a cancelar a aceleração centrífuga do carro, ou sua tendência a deslizar para fora da curva. Quanto maior a velocidade, maior será o ângulo de inclinação necessário.
"A dinâmica das partículas quânticas se comporta de forma análoga, "disse Aashish Escriturário, professor de física teórica na McGill University. "Embora as equações de movimento sejam diferentes, para alterar com precisão o estado de uma partícula quântica em altas velocidades, você precisa projetar o caminho certo para transmitir as forças certas. "
Brian Zhou, bolsista de pós-doutorado na Universidade de Chicago, alinha os lasers com os chips de diamante usados nos experimentos. Crédito:Awschalom Lab.
Atendente, junto com os bolsistas de pós-doutorado da McGill Alexandre Baksic e Hugo Ribeiro, formulou uma nova técnica para permitir uma dinâmica quântica mais rápida, absorvendo habilmente as acelerações prejudiciais sentidas pela partícula quântica. Essas acelerações, a menos que seja compensado, desviaria a partícula de sua trajetória pretendida no espaço de estados quânticos, semelhante a como a aceleração centrífuga desvia o carro de corrida de sua linha de corrida pretendida na pista.
Por meio de conversas com membros de seu próprio grupo e do grupo Escriturário, David Awschalom, professor de spintrônica e informação quântica no Instituto de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago, percebeu que a nova teoria poderia ser usada para acelerar os dispositivos quânticos baseados em diamante em seus laboratórios. Contudo, assim como a construção de rodovias inclinadas apresentou desafios para a engenharia civil, executar experimentalmente as sequências de controle idealizadas por Clerk e colegas de trabalho as apresentadas na engenharia quântica.
Construir a via rápida quântica exigiu um brilho intrincado, pulsos de laser sincronizados em elétrons únicos presos em defeitos dentro de seus chips de diamante. Este feito experimental foi alcançado pelo autor principal Brian Zhou, trabalhando com Christopher Yale, F. Joseph Heremans, e Paul Jerger.
"Demonstramos que esses novos protocolos podem mudar o estado de um bit quântico, de 'desligado' para 'ligado, '300% mais rápido do que os métodos convencionais, "disse Awschalom, também um cientista sênior do Laboratório Nacional de Argonne. "Tirar cada nanossegundo do tempo de operação é essencial para reduzir o impacto da decoerência quântica, " ele explicou, referindo-se ao processo pelo qual as informações quânticas são perdidas para o meio ambiente
O professor Guido Burkard e Adrian Auer, da Universidade de Konstanz, juntaram-se aos grupos Awschalom e Clerk para examinar os dados dos experimentos. Um dos maiores especialistas em sistemas quânticos baseados em diamante, Burkard observou, "O que é promissor para traduzir essas técnicas além do laboratório é que elas são eficazes mesmo quando o sistema não está perfeitamente isolado."
Os pesquisadores prevêem que seus métodos podem ser aplicados para um controle rápido e preciso sobre o movimento físico dos átomos ou a transferência de estados quânticos entre diferentes sistemas, e transmitir benefícios para aplicações quânticas, como comunicações seguras e simulação de sistemas complexos.
