Computadores quânticos, que funcionam de acordo com as estranhas regras da mecânica quântica, pode um dia revolucionar o mundo. Assim que tivermos conseguido construir uma máquina de trabalho poderosa, será capaz de resolver alguns problemas que os computadores de hoje levam milhões de anos para serem computados.

Os computadores usam bits (zero ou um) para codificar as informações. Os computadores quânticos usam "qubits" - que podem assumir qualquer valor entre zero e um - dando-lhes enorme poder de processamento. Mas os sistemas quânticos são notoriamente frágeis, e embora tenha havido progresso para construir máquinas de trabalho para algumas aplicações propostas, a tarefa continua difícil. Mas uma nova abordagem, apelidado de spintrônica molecular, oferece uma nova esperança.

Em 1997, os físicos teóricos Daniel Loss e David DiVincenzo estabeleceram as regras gerais necessárias para a criação de um computador quântico. Enquanto dispositivos eletrônicos normais usam carga elétrica para representar informações como zeros e uns, os computadores quânticos costumam usar estados de "spin" do elétron para representar os qubits.

O spin é uma quantidade fundamental que aprendemos por meio da mecânica quântica. Infelizmente, falta uma contrapartida precisa na experiência cotidiana, embora às vezes seja usada uma analogia de um planeta girando em seu próprio eixo.

Sabemos que os elétrons giram em duas direções ou "estados" diferentes (chamados para cima e para baixo). De acordo com a mecânica quântica, cada elétron em um material gira em uma combinação (superposição) desses estados - um certo bit para cima e um certo bit para baixo. É assim que você pode obter tantos valores em vez de apenas zero ou um.

Entre os cinco requisitos para construir um computador quântico desenvolvido por Loss e DiVincenzo incluía a possibilidade de escalar o sistema. Mais qubits significam mais poder. Outra era fazer com que as informações sobrevivessem por um período de tempo razoável, uma vez codificadas, enquanto outros se referem à inicialização, manipulação e leitura do sistema físico.

Embora originalmente concebido para um computador quântico baseado em spins de elétrons em minúsculas partículas de semicondutores, a proposta já foi implementada em muitos sistemas físicos, incluindo íons presos, supercondutores e diamantes.

Mas, Infelizmente, estes requerem um vácuo quase perfeito, temperaturas extremamente baixas e nenhum distúrbio para operar. Eles também são difíceis de aumentar.

Spintrônica molecular

Spintrônica é uma forma de eletrônica baseada em spin em vez de carga. O spin pode ser medido porque gera minúsculos campos magnéticos. Esta tecnologia, que costuma usar semicondutores para manipular e medir o spin, já teve um grande impacto na melhoria do armazenamento de informações no disco rígido.

Agora, os cientistas estão percebendo que a spintrônica também pode ser feita em moléculas orgânicas contendo anéis de átomos de carbono. E isso o conecta com todo um outro campo de pesquisa chamado eletrônica molecular, que visa construir dispositivos eletrônicos a partir de moléculas individuais e filmes de moléculas.

A combinação provou ser útil. Controlando e manipulando cuidadosamente o spin de um elétron dentro de uma molécula, Acontece que podemos realmente fazer cálculos quânticos. A preparação e a leitura do estado de spin do elétron nas moléculas são feitas eletricamente com campos elétricos ou magnéticos.

Moléculas orgânicas baseadas em carbono e semicondutores de polímero também atendem ao critério de serem fáceis de aumentar. Eles fazem isso por meio da capacidade de formar estruturas moleculares, dentro do qual os qubits moleculares estão próximos uns dos outros. O tamanho minúsculo de uma única molécula favorece automaticamente o empacotamento de um grande número delas em um pequeno chip.

Além disso, materiais orgânicos perturbam os spins quânticos menos do que outros materiais eletrônicos. Isso porque eles são compostos de elementos relativamente leves, como carbono e hidrogênio, resultando em interações mais fracas com os elétrons girando. Isso evita que seus spins mudem facilmente de estado, fazendo com que sejam preservados por longos períodos de até vários microssegundos.

Em uma molécula em forma de hélice, esta duração pode chegar a até um milissegundo. Esses tempos relativamente longos são suficientes para que as operações sejam realizadas - outra grande vantagem.

Desafios restantes

Mas ainda temos muito que aprender. Além de compreender o que causa vidas prolongadas de spin em moléculas orgânicas, uma compreensão de até que ponto esses spins podem viajar dentro de circuitos orgânicos é necessária para a construção de circuitos eletrônicos baseados em spin eficientes. A figura abaixo mostra alguns de nossos conceitos para dispositivos spintrônicos orgânicos exploratórios com esse objetivo.

Existem também grandes desafios para fazer com que esses dispositivos funcionem de forma eficiente. Os elétrons carregados que carregam os spins em um material orgânico pulam constantemente de uma molécula para outra à medida que se movem. Essa atividade de salto é, infelizmente, uma fonte de ruído elétrico, tornando difícil medir eletricamente pequenas assinaturas de corrente de spin usando arquiteturas convencionais. Dito isto, uma técnica relativamente nova conhecida como bombeamento de spin pode ser adequada para gerar correntes de spin com baixo ruído em materiais orgânicos.

Outro problema ao tentar fazer moléculas orgânicas candidatas sérias em futuras tecnologias quânticas é a capacidade de controlar e medir coerentemente os spins em moléculas individuais, ou em um pequeno número de moléculas. Este grande desafio está atualmente vendo um tremendo progresso. Por exemplo, um programa simples para um computador quântico conhecido como "algoritmo de busca de Grover" foi recentemente implementado em uma única molécula magnética. Este algoritmo é conhecido por reduzir significativamente o tempo necessário para realizar uma pesquisa em um banco de dados não classificado.

Em outro relatório, um conjunto de moléculas foi integrado com sucesso em um dispositivo supercondutor híbrido. Ele forneceu uma prova de conceito na combinação de qubits de spin molecular com arquiteturas quânticas existentes.

Muito resta a ser feito, mas no estado atual do jogo, os sistemas de spin molecular estão encontrando rapidamente várias novas aplicações em tecnologias quânticas. Com a vantagem de um tamanho pequeno e rotações de longa duração, é apenas uma questão de tempo antes que eles cimentem seu lugar no roteiro das tecnologias quânticas.

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.