Pesquisadores do Niels Bohr Institute resfriaram um chip contendo uma grande variedade de qubits de spin abaixo de -273 Celsius. Para manipular elétrons individuais dentro da matriz de pontos quânticos, eles aplicaram pulsos de voltagem rápidos a eletrodos de porta metálica localizados na superfície do cristal de arseneto de gálio (veja micrografia eletrônica de varredura). Como cada elétron também carrega um spin quântico, isso permite o processamento de informações quânticas com base nos estados de rotação da matriz (as setas na ilustração gráfica). Durante a troca de rotação mediada, que levou apenas um bilionésimo de segundo, dois pares de elétrons correlacionados foram coerentemente superpostos e emaranhados em cinco pontos quânticos, constituindo um novo recorde mundial dentro da comunidade. Crédito:Niels Bohr Institute
No Instituto Niels Bohr, Universidade de Copenhague, pesquisadores perceberam a troca de spins de elétrons entre pontos quânticos distantes. A descoberta nos traz um passo mais perto de futuras aplicações de informações quânticas, já que os pequenos pontos precisam deixar espaço suficiente no microchip para eletrodos de controle delicados. A distância entre os pontos agora se tornou grande o suficiente para integração com a microeletrônica tradicional e talvez, um futuro computador quântico. O resultado é alcançado por meio de uma colaboração multinacional com a Purdue University e UNSW, Sydney, Austrália, agora publicado em Nature Communications .
O tamanho é importante na troca de informações quânticas, mesmo na escala nanométrica
As informações quânticas podem ser armazenadas e trocadas usando estados de spin do elétron. A carga dos elétrons pode ser manipulada por pulsos de tensão de porta, que também controla seu giro. Acreditava-se que esse método só poderia ser prático se os pontos quânticos se tocassem; se pressionados muito próximos, os giros vão reagir com muita violência, se colocados muito distantes, os giros irão interagir muito lentamente. Isso cria um dilema, porque se um computador quântico algum dia vai ver a luz do dia, nós precisamos de ambos, troca rápida de spin e espaço suficiente em torno dos pontos quânticos para acomodar os eletrodos de porta pulsada.
Normalmente, os pontos esquerdo e direito na matriz linear de pontos quânticos (ilustração 1) estão muito distantes para trocar informações quânticas entre si. Frederico Martins, pós-doutorado em UNSW, Sydney, Austrália, explica:"Codificamos informações quânticas nos estados de spin dos elétrons, que têm a propriedade desejável de não interagirem muito com o ambiente barulhento, tornando-os úteis como memórias quânticas robustas e de longa duração. Mas quando você deseja processar ativamente informações quânticas, a falta de interação é contraproducente - porque agora você deseja que os spins interajam! "O que fazer? Você não pode ter informações de longa duração e troca de informações - ou assim parece." Descobrimos isso colocando um grande, ponto quântico alongado entre os pontos esquerdo e direito, pode mediar uma troca coerente de estados de spin, dentro de um bilionésimo de segundo, sem nunca mover elétrons para fora de seus pontos. Em outras palavras, agora temos interação rápida e o espaço necessário para os eletrodos de porta pulsada ", diz Ferdinand Kuemmeth, professor associado do Instituto Niels Bohr.
A colaboração entre pesquisadores com conhecimentos diversos foi a chave para o sucesso. Colaborações internas aumentam constantemente a confiabilidade dos processos de nanofabricação e a sofisticação das técnicas de baixa temperatura. Na verdade, no Center for Quantum Devices, principais concorrentes para a implementação de computadores quânticos de estado sólido são atualmente intensamente estudados, ou seja, qubits de spin semicondutores, supercondutores gatemon qubits, e qubits topológicos de Majorana.
Todos eles são qubits controlados por voltagem, permitindo que os pesquisadores compartilhem truques e resolvam desafios técnicos juntos. Mas Kuemmeth é rápido em acrescentar que "tudo isso seria fútil se não tivéssemos acesso a cristais semicondutores extremamente limpos em primeiro lugar". Michael Manfra, Professor de Engenharia de Materiais, concorda:"Purdue se esforçou muito para entender os mecanismos que levam a pontos quânticos silenciosos e estáveis. É fantástico ver esse trabalho render benefícios para os novos qubits de Copenhagen".
O arcabouço teórico da descoberta é fornecido pela University of Sydney, Austrália. Stephen Bartlett, um professor de física quântica da Universidade de Sydney, disse:"O que acho empolgante sobre este resultado como um teórico, é que ele nos liberta da geometria restritiva de um qubit contando apenas com seus vizinhos mais próximos ". Sua equipe realizou cálculos detalhados, fornecer a explicação da mecânica quântica para a descoberta contra-intuitiva.
Geral, a demonstração de troca rápida de spin não constitui apenas uma conquista científica e técnica notável, mas pode ter implicações profundas para a arquitetura de computadores quânticos de estado sólido. O motivo é a distância:"Se os spins entre qubits não vizinhos puderem ser trocados de forma controlada, isso permitirá a realização de redes em que o aumento da conectividade qubit-qubit se traduz em um volume quântico computacional significativamente aumentado ", prevê Kuemmeth.
