p Um dispositivo de computação quântica baseado em silício poderia estar mais perto do que nunca devido a um novo dispositivo experimental que demonstra o potencial de usar a luz como um mensageiro para conectar bits quânticos de informação - conhecidos como qubits - que não são imediatamente adjacentes uns aos outros. A façanha é um passo para fazer dispositivos de computação quântica de silício, o mesmo material usado nos smartphones e computadores de hoje. p A pesquisa, publicado no jornal Natureza , foi liderado por pesquisadores da Universidade de Princeton em colaboração com colegas da Universidade de Konstanz na Alemanha e do Joint Quantum Institute, que é uma parceria da Universidade de Maryland e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia.

p A equipe criou qubits de elétrons únicos presos em câmaras de silício conhecidas como pontos quânticos duplos. Ao aplicar um campo magnético, eles mostraram que podiam transferir informações quânticas, codificado na propriedade do elétron conhecida como spin, a uma partícula de luz, ou fóton, abrindo a possibilidade de transmitir a informação quântica.

p "Este é um ano de ruptura para qubits de spin de silício, "disse Jason Petta, professor de física em Princeton. "Este trabalho expande nossos esforços em uma direção totalmente nova, porque tira você de viver em uma paisagem bidimensional, onde você só pode fazer o acoplamento do vizinho mais próximo, e em um mundo de conectividade completa, "disse ele." Isso cria flexibilidade na forma como fazemos nossos dispositivos. "

p Dispositivos quânticos oferecem possibilidades computacionais que não são possíveis com os computadores de hoje, como fatorar grandes números e simular reações químicas. Ao contrário dos computadores convencionais, os dispositivos operam de acordo com as leis da mecânica quântica que governam estruturas muito pequenas, como átomos individuais e partículas subatômicas. Grandes empresas de tecnologia já estão construindo computadores quânticos baseados em qubits supercondutores e outras abordagens.

p "Este resultado fornece um caminho para aumentar a escala para sistemas mais complexos, seguindo a receita da indústria de semicondutores, "disse Guido Burkard, professor de física da Universidade de Konstanz, que orientou aspectos teóricos em colaboração com Monica Benito, um pesquisador de pós-doutorado. "Essa é a visão, e esta é uma etapa muito importante. "

p Jacob Taylor, um membro da equipe e um colega do Joint Quantum Institute, comparou a luz a um fio que pode conectar qubits de spin. "Se você quiser fazer um dispositivo de computação quântica usando esses elétrons aprisionados, como você envia informações no chip? Você precisa do equivalente em computação quântica a um fio. "

p Os qubits de spin de silício são mais resistentes do que as tecnologias de qubit concorrentes a distúrbios externos, como calor e vibrações, que interrompem estados quânticos inerentemente frágeis. O simples ato de ler os resultados de um cálculo quântico pode destruir o estado quântico, um fenômeno conhecido como "demolição quântica".

p Os pesquisadores teorizam que a abordagem atual pode evitar esse problema porque usa a luz para sondar o estado do sistema quântico. A luz já é usada como um mensageiro para levar sinais de cabo e internet às residências por meio de cabos de fibra ótica, e também está sendo usado para conectar sistemas qubit supercondutores, mas esta é uma das primeiras aplicações em qubits de spin de silício.

p Nestes qubits, a informação é representada pelo spin do elétron, que pode apontar para cima ou para baixo. Por exemplo, um giro apontando para cima pode representar um 0 e um giro apontando para baixo pode representar um 1. Computadores convencionais, em contraste, use a carga do elétron para codificar informações.

p Conectar qubits baseados em silício para que eles possam se comunicar sem destruir suas informações tem sido um desafio para a área. Embora a equipe liderada por Princeton tenha acoplado com sucesso dois spins de elétrons vizinhos separados por apenas 100 nanômetros (100 bilionésimos de um metro), conforme publicado na Science em dezembro de 2017, acoplando spin à luz, que permitiria o acoplamento spin-spin de longa distância, permaneceu um desafio até agora.

p No estudo atual, a equipe resolveu o problema de comunicação de longa distância acoplando as informações do qubit, ou seja, se o spin aponta para cima ou para baixo - para uma partícula de luz, ou fóton, que está preso acima do qubit na câmara. A natureza ondulatória do fóton permite que ele oscile acima do qubit como uma nuvem ondulante.

p O aluno de pós-graduação Xiao Mi e seus colegas descobriram como vincular as informações sobre a direção do spin ao fóton, para que a luz possa captar uma mensagem, como "pontos de rotação para cima, "do qubit." O forte acoplamento de um único spin a um único fóton é uma tarefa extraordinariamente difícil, semelhante a uma dança perfeitamente coreografada, "Mi disse." A interação entre os participantes - gire, carga e fóton - precisa ser precisamente projetado e protegido do ruído ambiental, o que não foi possível até agora. ”A equipe de Princeton incluiu o pós-doutorado Stefan Putz e o estudante de graduação David Zajac.

p O avanço foi possível graças às propriedades das ondas eletromagnéticas da luz. A luz consiste em campos elétricos e magnéticos oscilantes, e os pesquisadores conseguiram acoplar o campo elétrico da luz ao estado de spin do elétron.

p Os pesquisadores fizeram isso com base na descoberta da equipe publicada em dezembro de 2016 na revista Science, que demonstrou o acoplamento entre uma única carga de elétron e uma única partícula de luz.

p Para persuadir o qubit a transmitir seu estado de spin ao fóton, os pesquisadores colocam o spin do elétron em um grande gradiente de campo magnético, de modo que o spin do elétron tenha uma orientação diferente, dependendo de qual lado do ponto quântico ele ocupa. O gradiente do campo magnético, combinado com o acoplamento de carga demonstrado pelo grupo em 2016, acopla a direção do spin do qubit ao campo elétrico do fóton.

p Idealmente, o fóton então entregará a mensagem a outro qubit localizado dentro da câmara. Outra possibilidade é que a mensagem do fóton possa ser transportada por fios para um dispositivo que lê a mensagem. Os pesquisadores estão trabalhando nas próximas etapas do processo.

p Várias etapas ainda são necessárias antes de fazer um computador quântico baseado em silício, Petta disse. Computadores diários processam bilhões de bits, e embora os qubits sejam mais poderosos computacionalmente, a maioria dos especialistas concorda que 50 ou mais qubits são necessários para alcançar a supremacia quântica, onde os computadores quânticos começariam a ofuscar suas contrapartes clássicas.

p Daniel Loss, um professor de física da Universidade de Basel, na Suíça, que está familiarizado com o trabalho, mas não está diretamente envolvido, disse:"O trabalho do Professor Petta e colaboradores é uma das descobertas mais empolgantes no campo dos qubits de spin nos últimos anos. Tenho acompanhado o trabalho de Jason por muitos anos e estou profundamente impressionado com os padrões que ele estabeleceu para o campo, e mais uma vez com esta última experiência que aparece em Natureza . É um grande marco na busca de construir um computador quântico verdadeiramente poderoso, pois abre um caminho para acumular centenas de milhões de qubits em um chip de polegada quadrada. Esses são desenvolvimentos muito interessantes para o campo ¬ - e além. "