As propriedades da mecânica quântica dos elétrons estão começando a abrir as portas para uma nova classe de sensores e computadores com habilidades muito além do que suas contrapartes baseadas na física clássica podem realizar. Os estados quânticos são notoriamente difíceis de ler ou escrever, Contudo, e para piorar as coisas, a incerteza sobre as condições iniciais desses estados pode tornar os experimentos mais trabalhosos ou mesmo impossíveis.

Agora, Os engenheiros da Penn desenvolveram um sistema para redefinir essas condições iniciais, teste-os para ver se estão corretos, e automaticamente iniciar o experimento se eles estiverem, tudo em questão de microssegundos.

Este novo "procedimento de inicialização" poupará aos pesquisadores quânticos o tempo e o esforço de repetir experimentos para contabilizar estatisticamente os estados iniciais incertos, e permitir novos tipos de medições que requerem condições iniciais exatas para serem executadas.

Lee Bassett, professor assistente do Departamento de Engenharia Elétrica e de Sistemas e diretor do Laboratório de Engenharia Quântica, junto com os membros do laboratório David Hopper e Joseph Lauigan, conduziu um estudo recente demonstrando este novo procedimento de inicialização. O membro do laboratório Tzu-Yung Huang também contribuiu para o estudo.

Foi publicado na revista Revisão Física Aplicada .

"A inicialização é uma das chaves, requisitos fundamentais para fazer quase qualquer tipo de processamento de informação quântica, "Bassett diz." Você precisa ser capaz de definir deterministicamente seu estado quântico antes de fazer qualquer coisa útil com ele, mas o segredinho sujo é que, em quase todas as arquiteturas quânticas, essa inicialização não é perfeita. "

"Algumas vezes, "Hopper diz, "podemos aceitar essa incerteza, e executando um protocolo experimental milhares de vezes, chegar a uma medição na qual estamos confiantes. Mas há outros experimentos que gostaríamos de fazer em que esse tipo de média em várias execuções não funcionará. "

O tipo específico de incerteza que os pesquisadores investigaram tem a ver com um sistema quântico comumente usado, conhecido como centro de vacância de nitrogênio (NV) no diamante. Esses centros NV são defeitos que ocorrem naturalmente dentro do diamante, onde a rede regular de átomos de carbono é ocasionalmente interrompida com um átomo de nitrogênio e um ponto vazio próximo a ele. As nuvens de elétrons de átomos vizinhos se sobrepõem neste espaço vazio, criando uma "molécula presa" no diamante que pode ser sondada com um laser, permitindo aos pesquisadores medir, ou alterar, a propriedade quântica dos elétrons conhecida como "spin".

Os elétrons presos em um centro NV formam um "qubit" - a unidade básica de informação quântica - que pode ser usado para detectar campos locais, armazenar estados de superposição quântica, e até mesmo realizar cálculos quânticos.

"Os elétrons são excelentes sensores magnéticos, "Bassett diz, "e eles podem até detectar os minúsculos campos magnéticos associados aos núcleos de carbono ao redor do defeito. Esses núcleos podem servir como qubits e ser controlados usando o elétron central para construir os estados quânticos emaranhados que formam a base dos computadores quânticos. Eles também se acoplam para fótons, que são usados ​​para transmitir informações quânticas a longas distâncias. Portanto, os centros NV realmente fundem as três áreas principais da ciência quântica:sensoriamento, comunicação e computação. "

Tão promissores quanto os centros NV são, os pesquisadores ainda precisam lidar com uma variável incerta:o número de elétrons que ficam presos no centro NV quando um experimento começa, já que os elétrons podem entrar e sair do defeito quando ele é iluminado com um laser. Um procedimento de inicialização que garante um número previsível de elétrons a cada vez reduziria a quantidade de tempo que leva para executar um experimento com sucesso, ou permitir experimentos onde as condições iniciais incertas não podem ser corrigidas estatisticamente após o fato.

"O centro NV é como uma caixa com uma moeda dentro, "Lauigan diz." Se quisermos fazer nosso experimento apenas quando a moeda estiver em cara, temos que sacudir a caixa, verifique a moeda, e repita até descobrirmos que pousou da maneira correta. Esse é o procedimento de inicialização. "

Para executar esta inicialização, os pesquisadores usaram um par de lasers, detectores de fótons e hardware especializado que poderia lidar com o tempo preciso necessário.

"Nós lançamos um laser verde no centro NV, que basicamente 'vira a moeda' e mistura o número de elétrons que estão presos no defeito, "Hopper diz." Então chegamos com um laser vermelho, e dependendo do número de elétrons que estão lá, o defeito emitirá um fóton ou permanecerá escuro. "

"Assim que detectarmos o fóton que nos diz o número certo de elétrons no defeito, circuitos especializados iniciam automaticamente o experimento, "Huang diz." Tudo isso acontece em cerca de 500 nanossegundos; não há tempo para que o sinal seja analisado por um computador normal, então tudo tem que acontecer nesses chips especializados chamados matrizes de portas programáveis ​​em campo. "

Os pesquisadores aproveitaram o poder da eletrônica clássica avançada para controlar melhor um determinado sistema de detecção quântica. Eles mostraram que, graças às condições iniciais ideais, seu dispositivo pode detectar um minúsculo campo magnético oscilante de apenas 1,3 nanoteslas em um segundo de medições, que é um registro de sensibilidade para sensores quânticos de temperatura ambiente com base em centros NV individuais.

O procedimento de inicialização dos pesquisadores também pode ajudar a acelerar o progresso em novas arquiteturas quânticas para computação e comunicação. O diamante é normalmente composto de dois isótopos estáveis ​​de carbono, carbono-12 e carbono-13. O primeiro é o mais comum, mas a cada décimos de nanômetro, há um átomo do último. E porque o carbono-13 tem um nêutron extra, ele exibe spin nuclear e pode ser usado como um qubit.

Um centro NV pode ser uma "alavanca" para controlar os qubits de spin nuclear em um computador quântico, mas, nesta situação, a capacidade de inicializar precisamente seu estado torna-se crucial. Os erros associados à inicialização ruim se multiplicam, e rapidamente se torna impossível realizar um cálculo complexo. O tipo de medição e controle em tempo real usado pela equipe neste trabalho é um passo importante para a implementação de protocolos de correção de erros mais sofisticados nesses dispositivos quânticos.

No curto prazo, a capacidade de detecção melhorada será útil na determinação das localizações dos átomos de carbono-13 na rede do diamante.

"Encontrar todos esses átomos de carbono especiais é um processo trabalhoso, uma vez que existem tantos átomos e cada medição leva muito tempo, "Diz Hopper." Quando começamos este projeto, nosso objetivo era ver o que estava fazendo aquelas medições demorarem tanto e se havia alguma maneira de encurtá-lo. "