Em uma etapa que aproxima os computadores quânticos baseados em silício da realidade, pesquisadores da Universidade de Princeton construíram um dispositivo no qual um único elétron pode passar sua informação quântica para uma partícula de luz. A partícula de luz, ou fóton, pode então atuar como um mensageiro para transportar as informações para outros elétrons, criando conexões que formam os circuitos de um computador quântico.

A pesquisa, publicado no jornal Ciência e conduzido em Princeton and HRL Laboratories em Malibu, Califórnia, representa um esforço de mais de cinco anos para construir uma capacidade robusta para um elétron se comunicar com um fóton, disse Jason Petta, um professor de física de Princeton.

"Assim como nas interações humanas, para ter uma boa comunicação, várias coisas precisam ser resolvidas - ajuda falar a mesma língua e assim por diante, "Petta disse." Somos capazes de trazer a energia do estado eletrônico em ressonância com a partícula de luz, para que os dois possam falar um com o outro. "

A descoberta ajudará os pesquisadores a usar a luz para ligar elétrons individuais, que atuam como os bits, ou menores unidades de dados, em um computador quântico. Computadores quânticos são dispositivos avançados que, quando realizado, será capaz de realizar cálculos avançados usando partículas minúsculas, como elétrons, que seguem regras quânticas ao invés das leis físicas do mundo cotidiano.

Cada bit em um computador comum pode ter um valor de 0 ou 1. Bits quânticos - conhecidos como qubits - podem estar em um estado de 0, 1, ou 0 e 1 simultaneamente. Esta superposição, como é conhecido, permite que os computadores quânticos lidem com questões complexas que os computadores de hoje não conseguem resolver.

Computadores quânticos simples já foram feitos usando íons presos e supercondutores, mas os desafios técnicos retardaram o desenvolvimento de dispositivos quânticos baseados em silício. O silício é um material altamente atraente porque é barato e já é amplamente utilizado nos smartphones e computadores de hoje.

Os pesquisadores capturaram um elétron e um fóton no dispositivo, então ajustou a energia do elétron de tal forma que a informação quântica pudesse ser transferida para o fóton. Esse acoplamento permite que o fóton carregue as informações de um qubit para outro localizado a até um centímetro de distância.

As informações quânticas são extremamente frágeis - podem ser perdidas inteiramente devido ao menor distúrbio do meio ambiente. Os fótons são mais robustos contra interrupções e podem potencialmente transportar informações quânticas não apenas de qubit em qubit em um circuito de computador quântico, mas também entre chips quânticos por meio de cabos.

Para que esses dois tipos muito diferentes de partículas conversem entre si, Contudo, os pesquisadores tiveram que construir um dispositivo que fornecesse o ambiente certo. Primeiro, Peter Deelman em HRL Laboratories, um laboratório corporativo de pesquisa e desenvolvimento de propriedade da Boeing Company e General Motors, fabricou o chip semicondutor de camadas de silício e silício-germânio. Essa estrutura prendeu uma única camada de elétrons abaixo da superfície do chip. Próximo, pesquisadores de Princeton colocaram fios minúsculos, cada um apenas uma fração da largura de um cabelo humano, na parte superior do dispositivo. Esses fios do tamanho de nanômetros permitiram aos pesquisadores fornecer tensões que criaram um cenário de energia capaz de prender um único elétron, confiná-lo em uma região do silício chamada de ponto quântico duplo.

Os pesquisadores usaram esses mesmos fios para ajustar o nível de energia do elétron preso para corresponder ao do fóton, que fica preso em uma cavidade supercondutora que é fabricada na parte superior do wafer de silício.

Antes desta descoberta, qubits semicondutores só podiam ser acoplados a qubits vizinhos. Usando luz para acoplar qubits, pode ser viável passar informações entre qubits em extremidades opostas de um chip.

A informação quântica do elétron consiste em nada mais do que a localização do elétron em uma das duas bolsas de energia no ponto quântico duplo. O elétron pode ocupar uma ou outra bolsa, ou ambos simultaneamente. Ao controlar as tensões aplicadas ao dispositivo, os pesquisadores podem controlar qual bolsão o elétron ocupa.

"Agora temos a capacidade de realmente transmitir o estado quântico para um fóton confinado na cavidade, "disse Xiao Mi, um estudante de graduação no Departamento de Física de Princeton e primeiro autor do artigo. "Isso nunca foi feito antes em um dispositivo semicondutor porque o estado quântico foi perdido antes que pudesse transferir suas informações."

O sucesso do dispositivo se deve a um novo projeto de circuito que aproxima os fios do qubit e reduz a interferência de outras fontes de radiação eletromagnética. Para reduzir esse ruído, os pesquisadores colocaram filtros que removem sinais estranhos dos fios que levam ao dispositivo. Os fios de metal também protegem o qubit. Como resultado, os qubits são 100 a 1000 vezes menos ruidosos do que os usados ​​em experimentos anteriores.

Eventualmente, os pesquisadores planejam estender o dispositivo para funcionar com uma propriedade intrínseca do elétron conhecida como spin. "A longo prazo, queremos sistemas em que o spin e a carga sejam acoplados para formar um qubit de spin que possa ser controlado eletricamente, "Petta disse." Nós mostramos que podemos acoplar coerentemente um elétron à luz, e esse é um passo importante para acoplar o spin à luz. "

David DiVincenzo, um físico do Instituto de Informação Quântica na RWTH Aachen University na Alemanha, que não estava envolvido na pesquisa, é o autor de um influente artigo de 1996 que descreve cinco requisitos mínimos necessários para a criação de um computador quântico. Do trabalho Princeton-HRL, em que ele não estava envolvido, DiVincenzo disse:"Tem sido uma longa luta encontrar a combinação certa de condições que alcançariam a forte condição de acoplamento para um qubit de elétron único. Estou feliz em ver que uma região do espaço de parâmetros foi encontrada onde o sistema pode ir pela primeira vez em território de acoplamento forte. "