Pesquisadores da Universidade de Princeton deram um passo importante na busca para construir um computador quântico usando componentes de silício, que são valorizados por seu baixo custo e versatilidade em comparação com o hardware dos computadores quânticos de hoje. A equipe mostrou que um bit quântico de spin de silício (mostrado na caixa) pode se comunicar com outro bit quântico localizado a uma distância significativa em um chip de computador. O feito pode permitir conexões entre vários bits quânticos para realizar cálculos complexos. Crédito:Felix Borjans, Universidade de Princeton
Imagine um mundo onde as pessoas só pudessem falar com seu vizinho, e as mensagens devem ser passadas de casa em casa para alcançar destinos distantes.
Até agora, esta tem sido a situação para os bits de hardware que compõem um computador quântico de silício, um tipo de computador quântico com potencial para ser mais barato e versátil do que as versões atuais.
Agora, uma equipe baseada na Universidade de Princeton superou essa limitação e demonstrou que dois componentes de computação quântica, conhecido como qubits de "spin" de silício, podem interagir mesmo quando relativamente distantes um do outro em um chip de computador. O estudo foi publicado na revista Natureza .
"A capacidade de transmitir mensagens através desta distância em um chip de silício abre novos recursos para nosso hardware quântico, "disse Jason Petta, o professor de física Eugene Higgins em Princeton e líder do estudo. “O objetivo final é ter vários bits quânticos dispostos em uma grade bidimensional que possa realizar cálculos ainda mais complexos. O estudo deve ajudar a longo prazo a melhorar a comunicação de qubits em um chip, bem como de um chip para outro. "
Os computadores quânticos têm o potencial de enfrentar desafios que vão além das capacidades dos computadores do dia-a-dia, como fatorar grandes números. Um bit quântico, ou qubit, pode processar muito mais informações do que um bit de computador comum porque, enquanto cada bit de computador clássico pode ter um valor de 0 ou 1, um bit quântico pode representar uma faixa de valores entre 0 e 1 simultaneamente.
Para cumprir a promessa da computação quântica, esses computadores futuristas exigirão dezenas de milhares de qubits que podem se comunicar uns com os outros. O protótipo de computadores quânticos de hoje do Google, A IBM e outras empresas contêm dezenas de qubits feitos de uma tecnologia que envolve circuitos supercondutores, mas muitos tecnólogos veem os qubits baseados em silício como mais promissores no longo prazo.
Os qubits de spin de silício têm várias vantagens sobre os qubits supercondutores. Os qubits de spin de silício retêm seu estado quântico por mais tempo do que as tecnologias de qubit concorrentes. O uso generalizado de silício para computadores do dia-a-dia significa que qubits baseados em silício podem ser fabricados a baixo custo.
O desafio decorre em parte do fato de que os qubits de spin do silício são feitos de elétrons únicos e são extremamente pequenos.
"A fiação ou 'interconexão' entre vários qubits é o maior desafio para um computador quântico de grande escala, "disse James Clarke, diretor de hardware quântico da Intel, cuja equipe está construindo qubits de silício usando a linha de fabricação avançada da Intel, e quem não esteve envolvido no estudo. "A equipe de Jason Petta fez um ótimo trabalho para provar que os qubits de spin podem ser acoplados a longas distâncias."
Para conseguir isso, a equipe de Princeton conectou os qubits por meio de um "fio" que transporta luz de maneira análoga aos fios de fibra ótica que entregam sinais de internet às residências. Nesse caso, Contudo, o fio é na verdade uma cavidade estreita contendo uma única partícula de luz, ou fóton, que pega a mensagem de um qubit e a transmite para o próximo qubit.
Os dois qubits estavam localizados a cerca de meio centímetro, ou sobre o comprimento de um grão de arroz, separado. Para colocar isso em perspectiva, se cada qubit fosse do tamanho de uma casa, o qubit seria capaz de enviar uma mensagem para outro qubit localizado a 750 milhas de distância.
O principal passo à frente foi encontrar uma maneira de fazer os qubits e o fóton falarem a mesma língua, sintonizando os três para vibrar na mesma frequência. A equipe conseguiu sintonizar ambos os qubits independentemente um do outro, enquanto ainda os acoplava ao fóton. Anteriormente, a arquitetura do dispositivo permitia o acoplamento de apenas um qubit ao fóton por vez.
"Você tem que equilibrar as energias qubit em ambos os lados do chip com a energia do fóton para fazer todos os três elementos se comunicarem, "disse Felix Borjans, um estudante de pós-graduação e primeiro autor do estudo. "Essa foi a parte realmente desafiadora do trabalho."
Cada qubit é composto de um único elétron preso em uma pequena câmara chamada de ponto quântico duplo. Os elétrons possuem uma propriedade conhecida como spin, que pode apontar para cima ou para baixo de maneira análoga a uma agulha de bússola que aponta para o norte ou sul. Ao atingir o elétron com um campo de micro-ondas, os pesquisadores podem aumentar ou diminuir o spin para atribuir ao qubit um estado quântico de 1 ou 0.
"Esta é a primeira demonstração do entrelaçamento de spins de elétrons no silício separados por distâncias muito maiores do que os dispositivos que abrigam esses spins, "disse Thaddeus Ladd, cientista sênior do HRL Laboratories e colaborador do projeto. "Não muito tempo atrás, havia dúvida se isso era possível, devido aos requisitos conflitantes de acoplamento de spins a microondas e evitar os efeitos de cargas barulhentas que se movem em dispositivos baseados em silício. Esta é uma prova de possibilidade importante para qubits de silício porque adiciona flexibilidade substancial em como conectar esses qubits e como organizá-los geometricamente em futuros 'microchips quânticos' baseados em silício. "
A comunicação entre dois dispositivos qubits distantes à base de silício baseia-se em trabalhos anteriores da equipe de pesquisa Petta. Em um artigo de 2010 na revista Ciência , a equipe mostrou que é possível capturar elétrons únicos em poços quânticos. No jornal Natureza em 2012, a equipe relatou a transferência de informações quânticas de spins de elétrons em nanofios para fótons de frequência de microondas, e em 2016 em Ciência eles demonstraram a capacidade de transmitir informações de um qubit de carga baseado em silício para um fóton. Eles demonstraram a troca de informações pelo vizinho mais próximo em qubits em 2017 em Ciência . E a equipe mostrou em 2018 em Natureza que um qubit de spin de silício poderia trocar informações com um fóton.
Jelena Vuckovic, professor de engenharia elétrica e Jensen Huang Professor em Liderança Global na Universidade de Stanford, que não estava envolvido no estudo, comentou:"A demonstração de interações de longo alcance entre qubits é crucial para o desenvolvimento de tecnologias quânticas, como computadores quânticos modulares e redes quânticas. Este resultado empolgante da equipe de Jason Petta é um marco importante em direção a esse objetivo, uma vez que demonstra interação não local entre dois spins de elétrons separados por mais de 4 milímetros, mediada por um fóton de micro-ondas. Além disso, para construir este circuito quântico, a equipe empregou silício e germânio - materiais amplamente utilizados na indústria de semicondutores. "
