Marco no caminho para o computador quântico:Cientistas da Universidade de Konstanz, Universidade de Princeton, e a Universidade de Maryland desenvolveram um portal quântico estável para sistemas de dois bits quânticos feitos de silício. A porta quântica é capaz de realizar todas as operações básicas necessárias do computador quântico. O spin do elétron de elétrons individuais no silício é usado como a unidade básica de armazenamento ("bits quânticos"). Os resultados da pesquisa foram publicados antes da impressão em Ciência em 7 de dezembro de 2017.

Levará alguns anos até a produção de computadores quânticos comerciais. Os computadores quânticos serão mais eficientes e serão capazes de resolver problemas impossíveis para os computadores atuais. Contudo, o computador quântico reage com muito mais sensibilidade às perturbações externas do que uma máquina convencional. Consequentemente, o objetivo principal é criar "portões quânticos" estáveis ​​- o "bloco de construção" básico do computador quântico. Cientistas da Universidade de Konstanz, A Universidade de Princeton e a Universidade de Maryland agora tiveram sucesso na criação de portões quânticos estáveis ​​para sistemas de bits quânticos de dois. Seu portão quântico usa elétrons individuais em silício para armazenar os bits quânticos, e eles podem controlar e ler com precisão a interação de dois bits quânticos. Por aqui, o experimento inclui todas as operações básicas necessárias do computador quântico.

Do elétron ao bit quântico

Assim como um computador digital clássico usa bits com os valores de zero ou um como unidades básicas para todos os processos de cálculo, um computador quântico, usa bits quânticos. A diferença é que o bit quântico não se limita a dois estados (zero e um), mas pode existir em vários estados ao mesmo tempo, e é, portanto, muito mais complexo em sua implementação do que um simples sistema digital. Os pesquisadores surgiram com várias ideias para realizar tecnicamente um bit quântico, por exemplo, usando íons ou sistemas supercondutores. Os pesquisadores de Konstanz, Princeton e Maryland, Contudo, use o spin do elétron, o momento angular intrínseco de um único elétron, como base de bits quânticos. A direção de rotação do elétron corresponde aos valores zero e um do bit digital, mas em seu estado quântico exato, o elétron é capaz de conter mais informações do que apenas um simples zero ou um.

Uma primeira conquista dos pesquisadores foi, portanto, extrair um único elétron dos bilhões de átomos de uma peça de silício. "Foi uma conquista extraordinária de nossos colegas de Princeton, "diz o físico Professor Guido Burkard, que coordenou a pesquisa teórica em Konstanz. Os pesquisadores usaram uma combinação de atração e repulsão eletromagnética para separar um único elétron do feixe de elétrons. Os elétrons separados são então alinhados com precisão e cada um é embutido em uma espécie de "cavidade, "onde eles são mantidos em um estado flutuante.

O próximo desafio era desenvolver um sistema para controlar o momento angular de elétrons individuais. Os físicos de Konstanz, Guido Burkard e Maximilian Russ, desenvolveram o seguinte método:um nanoeletrodo é aplicado a cada elétron. Usando um gradiente de campo magnético, os físicos podem criar um campo magnético dependente da posição com o qual acessar os elétrons individuais, permitindo assim aos pesquisadores controlar o momento angular dos elétrons. Por aqui, eles criaram sistemas estáveis ​​de bit quântico para armazenar e ler informações na forma de spins de elétrons.

O passo em direção ao sistema de dois bits quânticos

Um bit quântico, Contudo, não é suficiente para gerar o sistema de comutação básico de um computador quântico. Para fazer isso, dois bits quânticos são necessários. O passo crucial que os pesquisadores de Konstanz deram em direção ao sistema de dois bits quânticos foi ligar os estados de dois elétrons. Essa ligação torna possível construir sistemas de comutação basal com os quais todas as operações básicas do computador quântico podem ser realizadas. Por exemplo, o sistema pode ser programado de forma que um elétron gire apenas quando seu elétron adjacente tiver um spin em uma direção predeterminada.

Isso significa que os pesquisadores de Konstanz tiveram que criar um sistema estável para ligar os spins de dois elétrons individuais. "Essa foi a parte mais importante e difícil do nosso trabalho, "diz Guido Burkard, que projetou e planejou o método junto com o membro da equipe Maximilian Russ. Eles desenvolveram um sistema de comutação que coordena o momento angular de dois elétrons em interdependência. Um nanoeletrodo adicional é colocado entre as duas "cavidades" nas quais os elétrons de silício estão flutuando. Este eletrodo controla o acoplamento entre os dois spins do elétron. Com este método, os físicos perceberam uma unidade de processamento básico estável e funcional de um computador quântico. As fidelidades para bits quânticos únicos estão acima de 99 por cento, e cerca de 80 por cento para dois bits quânticos em interação - significativamente mais estável e mais preciso do que nas tentativas anteriores.

Silício - um "material silencioso"

O material básico do portão quântico é o silício. "Um material magneticamente muito silencioso, com apenas um baixo número de giros nucleares próprios, "Guido Burkard diz, resumindo as vantagens do silício. É importante que os núcleos atômicos do material escolhido não tenham muitos spins, isso é, momento angular intrínseco, o que poderia interferir com os bits quânticos. Silício, com cerca de cinco por cento, tem uma atividade de spin extremamente baixa de seus núcleos atômicos e, portanto, é um material particularmente adequado. Outra vantagem:o silício é o material padrão da tecnologia de semicondutores e, portanto, bem pesquisado. Os cientistas podem, portanto, se beneficiar de muitos anos de experiência com o material.