Os pesquisadores descobriram uma maneira de usar a luz e um único elétron para se comunicar com uma nuvem de bits quânticos e sentir seu comportamento, tornando possível detectar um único bit quântico em uma nuvem densa.

Os pesquisadores, da Universidade de Cambridge, foram capazes de injetar uma 'agulha' de informação quântica altamente frágil em um 'palheiro' de 100, 000 núcleos. Usando lasers para controlar um elétron, os pesquisadores poderiam então usar esse elétron para controlar o comportamento do palheiro, tornando mais fácil encontrar a agulha. Eles foram capazes de detectar a 'agulha' com uma precisão de 1,9 partes por milhão:alta o suficiente para detectar um único bit quântico neste grande conjunto.

A técnica torna possível enviar opticamente informações quânticas altamente frágeis a um sistema nuclear para armazenamento, e verificar sua impressão com o mínimo de perturbação, um passo importante no desenvolvimento de uma internet quântica baseada em fontes de luz quântica. Os resultados são relatados no jornal Física da Natureza .

Os primeiros computadores quânticos - que irão aproveitar o estranho comportamento das partículas subatômicas para superar até mesmo os supercomputadores mais poderosos - estão no horizonte. Contudo, alavancar todo o seu potencial exigirá uma forma de conectá-los em rede:uma internet quântica. Canais de luz que transmitem informações quânticas são candidatos promissores para uma internet quântica, e atualmente não há melhor fonte de luz quântica do que o ponto quântico semicondutor:minúsculos cristais que são átomos essencialmente artificiais.

Contudo, uma coisa atrapalha os pontos quânticos e a internet quântica:a capacidade de armazenar informações quânticas temporariamente em postos de teste ao longo da rede.

"A solução para este problema é armazenar as informações quânticas frágeis, escondendo-as na nuvem de 100, 000 núcleos atômicos que cada ponto quântico contém, como uma agulha em um palheiro, "disse o professor Mete Atatüre do Laboratório Cavendish de Cambridge, quem liderou a pesquisa. "Mas se tentarmos nos comunicar com esses núcleos como nos comunicamos com bits, eles tendem a 'virar' aleatoriamente, criando um sistema barulhento. "

A nuvem de bits quânticos contidos em um ponto quântico normalmente não age em um estado coletivo, tornando um desafio colocar ou tirar informações deles. Contudo, Atatüre e seus colegas mostraram em 2019 que, quando resfriado a temperaturas ultrabaixas, também usando luz, esses núcleos podem ser feitos para fazer "danças quânticas" em uníssono, reduzindo significativamente a quantidade de ruído no sistema.

Agora, eles mostraram outro passo fundamental para armazenar e recuperar informações quânticas nos núcleos. Ao controlar o estado coletivo dos 100, 000 núcleos, eles foram capazes de detectar a existência da informação quântica como um 'bit quântico invertido' com uma precisão ultra-alta de 1,9 partes por milhão:o suficiente para ver um único bit virar na nuvem de núcleos.

"Tecnicamente, isso é extremamente exigente, "disse Atatüre, que também é membro do St John's College. "Não temos uma maneira de 'falar' com a nuvem e a nuvem não tem uma maneira de falar conosco. Mas podemos falar com um elétron:podemos nos comunicar com ele como um cachorro que rebanhos de ovelhas. "

Usando a luz de um laser, os pesquisadores são capazes de se comunicar com um elétron, que então se comunica com os spins, ou momento angular inerente, dos núcleos.

Ao falar com o elétron, o conjunto caótico de spins começa a esfriar e se formar em torno do elétron pastor; fora deste estado mais ordenado, o elétron pode criar ondas de spin nos núcleos.

"Se imaginarmos nossa nuvem de giros como um rebanho de 100, 000 ovelhas movendo-se aleatoriamente, uma ovelha mudando de direção repentinamente é difícil de ver, "disse Atatüre." Mas se todo o rebanho está se movendo como uma onda bem definida, então, uma única ovelha mudando de direção torna-se altamente perceptível. "

Em outras palavras, injetar uma onda de spin feita de um único spin de spin nuclear no conjunto torna mais fácil detectar um único spin de spin nuclear entre 100, 000 giros nucleares.

Usando esta técnica, os pesquisadores são capazes de enviar informações para o bit quântico e 'ouvir' o que os spins estão dizendo com o mínimo de perturbação, até o limite fundamental estabelecido pela mecânica quântica.

"Tendo aproveitado esse controle e capacidade de detecção sobre este grande conjunto de núcleos, nosso próximo passo será demonstrar o armazenamento e recuperação de um bit quântico arbitrário do registrador de spin nuclear, "disse o co-primeiro autor Daniel Jackson, um Ph.D. aluno do Laboratório Cavendish.

"Esta etapa completará uma memória quântica conectada à luz, um importante bloco de construção no caminho para a realização da internet quântica, "disse o co-primeiro autor Dorian Gangloff, um pesquisador no St John's College.

Além de seu uso potencial para uma futura internet quântica, a técnica também pode ser útil no desenvolvimento da computação quântica de estado sólido.