Durante a pesquisa para um novo artigo sobre computação quântica, HongWen Jiang, um professor de física da UCLA, e Joshua Schoenfield, um estudante de graduação em seu laboratório, enfrentou um problema recorrente:eles estavam tão entusiasmados com o progresso que estavam fazendo que, quando se conectaram de casa em seu desktop UCLA - que permite apenas um usuário por vez - os dois cientistas repetidamente desligaram um ao outro da conexão remota.

O motivo de seu entusiasmo:Jiang e sua equipe criaram uma maneira de medir e controlar as diferenças de energia dos estados do vale do elétron em pontos quânticos de silício, que são um componente-chave da pesquisa de computação quântica. A técnica pode trazer a computação quântica um passo mais perto da realidade.

"É tão emocionante, "disse Jiang, membro do California NanoSystems Institute. "Não queríamos esperar até o dia seguinte para saber o resultado."

A computação quântica pode permitir que informações mais complexas sejam codificadas em chips de computador muito menores, e promete ser mais rápido, resolução de problemas e comunicações mais seguras do que os computadores de hoje permitem.

Em computadores padrão, os componentes fundamentais são interruptores chamados bits, que usam 0s e 1s para indicar que estão ativados ou desativados. Os blocos de construção dos computadores quânticos, por outro lado, são bits quânticos, ou qubits.

A descoberta dos pesquisadores da UCLA foi ser capaz de medir e controlar um estado específico de um ponto quântico de silício, conhecido como estado de vale, uma propriedade essencial dos qubits. A pesquisa foi publicada em Nature Communications .

"Um qubit individual pode existir em uma mistura de onda complexa do estado 0 e do estado 1 ao mesmo tempo, "disse Schoenfield, o primeiro autor do artigo. "Resolver problemas, os qubits devem interferir uns com os outros como ondulações em uma lagoa. Portanto, controlar todos os aspectos de sua natureza ondulatória é essencial. "

Os pontos quânticos de silício são pequenos, regiões eletricamente confinadas de silício, apenas dezenas de nanômetros de diâmetro, que pode prender elétrons. Eles estão sendo estudados pelo laboratório de Jiang - e por pesquisadores ao redor do mundo - para seu possível uso na computação quântica, porque permitem que os cientistas manipulem o spin e a carga dos elétrons.

Além do spin e carga dos elétrons, outra de suas propriedades mais importantes é o "estado do vale, "que especifica onde um elétron se estabelecerá na paisagem de energia não plana da estrutura cristalina do silício. O estado do vale representa uma localização no momento do elétron, em oposição a uma localização física real.

Os cientistas perceberam apenas recentemente que controlar os estados de vale é fundamental para codificar e analisar qubits baseados em silício, porque mesmo as menores imperfeições em um cristal de silício podem alterar as energias do vale de maneiras imprevisíveis.

"Imagine estar no topo de uma montanha olhando para a esquerda e para a direita, percebendo que os vales em ambos os lados parecem ser os mesmos, mas sabendo que um vale era apenas 1 centímetro mais profundo que o outro, "disse Blake Freeman, um estudante de graduação da UCLA e co-autor do estudo. "Na física quântica, mesmo essa pequena diferença é extremamente importante para nossa capacidade de controlar o spin dos elétrons e os estados de carga. "

Em temperaturas normais, elétrons saltam ao redor, tornando difícil para eles descansar no ponto de energia mais baixa do vale. Então, para medir a pequena diferença de energia entre dois estados de vale, os pesquisadores da UCLA colocaram pontos quânticos de silício dentro de uma câmara de resfriamento a uma temperatura próxima do zero absoluto, o que permitiu que os elétrons se acomodassem. Ao disparar rápidos pulsos elétricos de voltagem através deles, os cientistas foram capazes de mover elétrons individuais para dentro e para fora dos vales. A minúscula diferença de energia entre os vales foi determinada pela observação da velocidade da rápida comutação do elétron entre os estados dos vales.

Depois de manipular os elétrons, os pesquisadores executaram um sensor de nanofio muito próximo aos elétrons. Medir a resistência do fio permitiu que eles medissem a distância entre um elétron e o fio, o que, por sua vez, permitiu-lhes determinar qual vale o elétron ocupava.

A técnica também capacitou os cientistas, pela primeira vez, para medir a diferença de energia extremamente pequena entre os dois vales - o que tinha sido impossível usando qualquer outro método existente.

No futuro, os pesquisadores esperam usar pulsos de tensão e projetos de dispositivos mais sofisticados para obter controle total sobre vários qubits baseados em vale em interação.

"O sonho é ter uma matriz de centenas ou milhares de qubits todos trabalhando juntos para resolver um problema difícil, "Schoenfield disse." Este trabalho é um passo importante para realizar esse sonho. "