Construir um computador quântico requer acerto de contas com os erros - em mais de um sentido. Bits quânticos, ou "qubits, "que pode assumir os valores lógicos zero e um simultaneamente, e, assim, realizar cálculos mais rapidamente, são extremamente suscetíveis a perturbações. Uma possível solução para isso é a correção de erros quânticos, o que significa que cada qubit é representado redundantemente em várias cópias, de forma que os erros possam ser detectados e eventualmente corrigidos sem perturbar o frágil estado quântico do próprio qubit. Tecnicamente, isso é muito exigente. Contudo, vários anos atrás, uma proposta alternativa sugeria armazenar informações não em vários qubits redundantes, mas sim nos muitos estados oscilatórios de um único oscilador harmônico quântico. O grupo de pesquisa de Jonathan Home, professor do Instituto de Eletrônica Quântica da ETH Zurique, agora percebeu esse qubit codificado em um oscilador. Seus resultados foram publicados na revista científica Natureza .

Estados oscilatórios periódicos

No laboratório de Home, Ph.D. a estudante Christa Flühmann e seus colegas trabalham com átomos de cálcio eletricamente carregados que são aprisionados por campos elétricos. Usando feixes de laser apropriadamente escolhidos, esses íons são resfriados a temperaturas muito baixas em que suas oscilações nos campos elétricos, dentro do qual os íons espirram para frente e para trás como bolas de gude em uma tigela, são descritos pela mecânica quântica como as chamadas funções de onda. "Nesse ponto, as coisas ficam emocionantes, "diz Flühmann, quem é o primeiro autor do Natureza papel. "Agora podemos manipular os estados oscilatórios dos íons de forma que suas incertezas de posição e momento sejam distribuídas entre muitos estados organizados periodicamente."

Aqui, "incerteza" refere-se à famosa fórmula de Werner Heisenberg, que afirma que na física quântica, o produto das incertezas de medição da posição e velocidade (mais precisamente:o momento) de uma partícula nunca pode ficar abaixo de um mínimo bem definido. Por exemplo, manipular a partícula para saber sua posição muito bem - os físicos chamam isso de "compressão" - requer tornar seu momento menos certo.

Incerteza reduzida

Espremer um estado quântico desta forma é, sozinho, apenas de valor limitado se o objetivo for fazer medições precisas. Contudo, há uma saída inteligente:se, além do aperto, um prepara um estado oscilatório no qual a função de onda da partícula é distribuída em muitas posições espaçadas periodicamente, a incerteza de medição de cada posição e do respectivo momento pode ser menor do que Heisenberg permitiria. Essa distribuição espacial da função de onda - a partícula pode estar em vários lugares ao mesmo tempo, e apenas uma medição decide onde alguém realmente o encontra - é uma reminiscência do famoso gato de Erwin Schrödinger, que está simultaneamente morto e vivo.

Esta incerteza de medição fortemente reduzida também significa que a menor mudança na função de onda, por exemplo, por alguma perturbação externa, pode ser determinado com muita precisão e - pelo menos em princípio - corrigido. "Nossa compreensão desses estados oscilatórios periódicos ou semelhantes a pente do íon são um passo importante para essa detecção de erro, "Flühmann explica." Além disso, podemos preparar estados arbitrários do íon e realizar todas as operações lógicas possíveis nele. Tudo isso é necessário para construir um computador quântico. Em uma próxima etapa, queremos combinar isso com detecção e correção de erros. "

Aplicações em sensores quânticos

Alguns obstáculos experimentais devem ser superados no caminho, Flühmann admite. O íon de cálcio primeiro precisa ser acoplado a outro íon por forças elétricas, para que o estado oscilatório possa ser lido sem destruí-lo. Ainda, mesmo em sua forma atual, o método dos pesquisadores ETH é de grande interesse para aplicações, Flühmann explica:"Devido à sua extrema sensibilidade às perturbações, esses estados oscilatórios são uma ótima ferramenta para medir minúsculos campos elétricos ou outras quantidades físicas com muita precisão. "