Para tornar os qubits para computadores quânticos menos suscetíveis a ruído, o spin de um elétron ou de alguma outra partícula é preferencialmente usado. Pesquisadores da ETH Zurich desenvolveram um método que torna possível acoplar esse qubit de spin fortemente a fótons de micro-ondas.

Os computadores quânticos usam bits quânticos ou "qubits" para fazer seus cálculos - estados quânticos, isso é, de átomos ou elétrons que podem assumir os valores lógicos "0" e "1" ao mesmo tempo. A fim de conectar muitos desses qubits para fazer um computador quântico poderoso, é preciso acoplá-los entre si a distâncias de milímetros ou mesmo de vários metros. Uma maneira de conseguir isso é explorando o deslocamento de carga causado por uma onda eletromagnética, que é o princípio de funcionamento de uma antena. Tal acoplamento, Contudo, também expõe o qubit a perturbações devido a campos elétricos indesejados, o que limita severamente a qualidade das operações lógicas de qubit.

Uma equipe de cientistas trabalhando em vários grupos de pesquisa na ETH Zurique, assistido por físicos teóricos na Sherbrooke University no Canadá, agora demonstramos como esse problema pode ser evitado. Para fazer isso, eles encontraram uma maneira de acoplar um fóton de micro-ondas a um qubit de spin em um ponto quântico.

Qubits com carga ou giro

Em pontos quânticos, os elétrons são primeiro aprisionados em estruturas semicondutoras medindo apenas alguns nanômetros, que são resfriados a menos de um grau acima do zero absoluto da escala de temperatura. Os valores lógicos 0 e 1 agora podem ser realizados de duas maneiras diferentes. Ou se define um qubit em termos da posição do elétron no lado direito ou esquerdo de um ponto quântico duplo, ou então pelo spin do elétron, que pode apontar para cima ou para baixo.

O primeiro caso é chamado de qubit de carga, que se acopla fortemente às ondas eletromagnéticas através do deslocamento da carga elétrica. Um qubit de spin, por outro lado, pode ser visualizado como uma pequena agulha de bússola que aponta para cima ou para baixo. Muito parecido com uma agulha de bússola, um spin também é magnético e, Portanto, não se acopla a campos elétricos, mas sim a campos magnéticos. O acoplamento de um qubit de spin à parte magnética das ondas eletromagnéticas, Contudo, é muito mais fraco do que um qubit de carga para a parte elétrica.

Três giros para um acoplamento mais forte

Isso significa que, por um lado, um qubit de spin é menos suscetível a ruído e mantém sua coerência (na qual se baseia a ação de um computador quântico) por um período de tempo mais longo. Por outro lado, é consideravelmente mais difícil acoplar qubits de spin entre si em longas distâncias usando fótons. O grupo de pesquisa do professor de ETH Klaus Ensslin usa um truque para tornar tal acoplamento possível, no entanto, como o pós-doutorando Jonne Koski explica:"Ao perceber o qubit com não apenas um único giro, mas sim três deles, podemos combinar as vantagens de um qubit de spin com as de um qubit de carga. "

Na prática, isso é feito produzindo três pontos quânticos em um chip semicondutor que estão próximos um do outro e podem ser controlados por tensões que são aplicadas por meio de fios minúsculos. Em cada um dos pontos quânticos, elétrons com spins apontando para cima ou para baixo podem ser capturados. Adicionalmente, um dos fios conecta o spin trio a um ressonador de micro-ondas. As tensões nos pontos quânticos agora são ajustadas para ter um único elétron em cada ponto quântico, com os spins de dois dos elétrons apontando na mesma direção e o terceiro spin apontando na direção oposta.

Deslocamento de carga através de tunelamento

De acordo com as regras da mecânica quântica, os elétrons também podem fazer um túnel para frente e para trás entre os pontos quânticos com uma certa probabilidade. Isso significa que dois dos três elétrons podem temporariamente estar no mesmo ponto quântico, com um ponto quântico permanecendo vazio. Nesta constelação, a carga elétrica está agora distribuída de forma desigual. Este deslocamento de carga, por sua vez, dá origem a um dipolo elétrico que pode se acoplar fortemente ao campo elétrico de um fóton de micro-ondas.

Os cientistas da ETH foram capazes de detectar claramente o forte acoplamento medindo a frequência de ressonância do ressonador de microondas. Eles observaram como a ressonância do ressonador se dividiu em duas por causa do acoplamento ao trio de spin. A partir desses dados, eles puderam inferir que a coerência do qubit de spin permaneceu intacta por mais de 10 nanossegundos.

Spin trios para um ônibus quântico

Os pesquisadores estão confiantes de que em breve será possível realizar um canal de comunicação de informações quânticas entre dois qubits de spin usando essa tecnologia. "Isso exigirá que coloquemos trios de spin em cada extremidade do ressonador de micro-ondas e mostremos que os qubits são acoplados uns aos outros por meio de um fóton de micro-ondas", diz Andreas Landig, primeiro autor do artigo e Ph.D. aluno do grupo de Ensslin. Este seria um passo importante em direção a uma rede de qubits de spin espacialmente distribuídos. Os pesquisadores também enfatizam que seu método é muito versátil e pode ser aplicado diretamente a outros materiais, como o grafeno.