Os pesquisadores deram um passo importante em direção ao tão almejado objetivo de um computador quântico, que, em teoria, deve ser capaz de cálculos muito mais rápidos do que os computadores convencionais, para certos tipos de problemas. O novo trabalho mostra que coleções de moléculas ultracold podem reter as informações armazenadas nelas, por centenas de vezes mais do que os pesquisadores alcançaram anteriormente com esses materiais.

Essas moléculas de dois átomos são feitas de sódio e potássio e foram resfriadas a temperaturas apenas alguns dez milionésimos de grau acima do zero absoluto (medido em centenas de nanocelvinas, ou nK). Os resultados são descritos em relatório desta semana em Ciência , por Martin Zwierlein, um professor de física do MIT; Jee Woo Park, um ex-aluno de pós-graduação do MIT; Sebastian Will, um ex-cientista pesquisador do MIT e agora um professor assistente da Universidade de Columbia, e dois outros, tudo no MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms.

Muitas abordagens diferentes estão sendo estudadas como possíveis maneiras de criar qubits, os blocos básicos de construção de computadores quânticos há muito teorizados, mas ainda não totalmente realizados. Os pesquisadores tentaram usar materiais supercondutores, íons mantidos em armadilhas de íons, ou átomos neutros individuais, bem como moléculas de complexidade variável. A nova abordagem usa um cluster de moléculas muito simples feitas de apenas dois átomos.

"As moléculas têm mais 'alças' do que átomos, "Zwierlein diz, significando mais maneiras de interagir uns com os outros e com influências externas. "Eles podem vibrar, eles podem girar, e, na verdade, eles podem interagir fortemente uns com os outros, quais átomos têm dificuldade em fazer. Tipicamente, átomos precisam realmente se encontrar, estar quase em cima um do outro, antes que vejam que há outro átomo lá para interagir, enquanto as moléculas podem ver umas às outras "em intervalos relativamente longos". Para fazer esses qubits se comunicarem e realizarem cálculos, usar moléculas é uma ideia muito melhor do que usar átomos, " ele diz.

O uso deste tipo de moléculas de dois átomos para o processamento de informações quânticas "foi sugerido há algum tempo, "diz Park, "e este trabalho demonstra a primeira etapa experimental para concretizar esta nova plataforma, que é que a informação quântica pode ser armazenada em moléculas dipolares por longos períodos. "

"O mais incrível é que [essas] moléculas são um sistema que pode permitir o armazenamento e o processamento de informações quânticas, usando o mesmo sistema físico, "Will diz." Essa é realmente uma característica muito rara que não é típica entre os sistemas qubit que são mais considerados hoje. "

Nos testes de laboratório de prova de princípio da equipe, alguns milhares de moléculas simples estavam contidas em uma nuvem microscópica de gás, preso na interseção de dois feixes de laser e resfriado a temperaturas ultracold de cerca de 300 nanoquelvin. "Quanto mais átomos você tem em uma molécula, mais difícil fica para resfriá-los, "Zwierlein diz, então eles escolheram esta estrutura simples de dois átomos.

As moléculas têm três características principais:rotação, vibração, e a direção do spin dos núcleos dos dois átomos individuais. Para esses experimentos, os pesquisadores mantiveram as moléculas sob controle perfeito em termos de todas as três características - isto é, no estado de vibração mais baixo, rotação, e alinhamento de spin nuclear.

"Temos sido capazes de capturar moléculas por um longo tempo, e também demonstrar que podem transportar informações quânticas e mantê-las por muito tempo, "Zwierlein diz. E isso, ele diz, é "um dos principais avanços ou marcos que se deve ter antes de esperar construir um computador quântico, que é um esforço muito mais complicado. "

O uso de moléculas de sódio-potássio oferece uma série de vantagens, Zwierlein diz. Por uma coisa, "a molécula é quimicamente estável, então, se uma dessas moléculas encontra outra, elas não se separam. "

No contexto da computação quântica, o "longo tempo" a que Zwierlein se refere é um segundo - que é "na verdade cerca de mil vezes mais longo do que um experimento comparável que foi feito" usando rotação para codificar o qubit, ele diz. "Sem medidas adicionais, aquele experimento deu um milissegundo, mas isso já era ótimo. "Com o método desta equipe, a estabilidade inerente do sistema significa "você ganha um segundo inteiro de graça".

Isso sugere, embora ainda deva ser provado, que tal sistema seria capaz de realizar milhares de cálculos quânticos, conhecidos como portões, em seqüência dentro daquele segundo de coerência. Os resultados finais poderiam então ser "lidos" opticamente através de um microscópio, revelando o estado final das moléculas.

"Temos grandes esperanças de que possamos fazer uma chamada porta - que é uma operação entre dois desses qubits, como adição, subtração, ou aquele tipo de equivalente - em uma fração de milissegundo, "Zwierlein diz." Se você olhar para a proporção, você pode esperar fazer 10, 000 a 100, 000 operações de porta no tempo que temos a coerência na amostra. Isso foi declarado como um dos requisitos para um computador quântico, ter esse tipo de proporção de operações de porta para tempos de coerência. "

"O próximo grande objetivo será 'conversar' com moléculas individuais. Então, estamos realmente falando de informações quânticas, "Will diz." Se pudermos capturar uma molécula, podemos prender dois. E então podemos pensar sobre a implementação de uma 'operação de portão quântico' - um cálculo elementar - entre dois qubits moleculares que ficam próximos um do outro, " ele diz.

Usando uma matriz de talvez 1, 000 dessas moléculas, Zwierlein diz, tornaria possível realizar cálculos tão complexos que nenhum computador existente poderia sequer começar a verificar as possibilidades. Embora ele enfatize que este ainda é um passo inicial e que tais computadores podem estar a uma década ou mais de distância, em princípio, tal dispositivo poderia resolver rapidamente problemas atualmente intratáveis, como a fatoração de números muito grandes - um processo cuja dificuldade forma a base dos melhores sistemas de criptografia atuais para transações financeiras.

Além da computação quântica, o novo sistema também oferece o potencial para uma nova maneira de realizar medições de precisão e química quântica, Zwierlein diz.