A computação quântica, um campo que se baseia nos princípios da mecânica quântica para calcular resultados, tem o potencial de realizar tarefas muito complexas para computadores tradicionais e fazê-lo em altas velocidades, tornando-se, de certa forma, a nova fronteira para ciência e engenharia. Para chegar ao ponto em que os computadores quânticos possam atingir seu potencial de desempenho esperado, é necessário o desenvolvimento de processadores quânticos em larga escala e memórias quânticas. O controle preciso de qubits – ou bits quânticos, os blocos básicos de construção de computadores quânticos – é fundamental para fazer isso, mas os métodos de controle de qubits têm limitações para fiação maciça de alta densidade com alta precisão.
Agora, pesquisadores da Universidade Nacional de Yokohama, no Japão, encontraram uma maneira de controlar com precisão os qubits sem as limitações anteriores. Seus resultados foram publicados na Nature Photonics em 26 de julho de 2022.

“As micro-ondas são geralmente usadas para controle quântico individual, mas a fiação individual das linhas de micro-ondas é necessária”, disse o autor correspondente do artigo Hideo Kosaka, diretor do Centro de Pesquisa de Informação Quântica do Instituto de Ciências Avançadas e professor do Departamento de Física da Pós-Graduação. Escola de Engenharia da Universidade Nacional de Yokohama. "Por outro lado, é possível manipular qubits localmente, mas não precisamente, com luz."

Kosaka e os outros pesquisadores conseguiram demonstrar o controle dos qubits manipulando o spin do elétron por meio de uma combinação de manipulação de micro-ondas e deslocamento óptico local de frequências de transição de átomos e moléculas, um processo conhecido como deslocamento Stark, usando um centro de vacância de nitrogênio. um tipo de defeito de ponta - em um diamante. Em outras palavras, eles foram capazes de combinar métodos ópticos baseados em luz de lasers com micro-ondas para superar as limitações anteriores.

Os pesquisadores também foram capazes de demonstrar que esse controle do spin do elétron poderia, por sua vez, controlar o spin nuclear do átomo de nitrogênio no centro de vacância do nitrogênio, bem como a interação entre o elétron e os spins nucleares. Isso é significativo porque permite o controle preciso de qubits sem o problema de fiação.

"A irradiação simultânea de luz e microondas permite o controle individual e preciso de qubits sem fiação individual", disse Kosaka. “Isso abriu o caminho para processadores quânticos de grande escala e memórias quânticas, que são essenciais para o desenvolvimento de computadores quânticos de larga escala”.

Além disso, os pesquisadores foram capazes de gerar emaranhamento quântico – um estado no qual as partículas existem no mesmo estado, mesmo que estejam fisicamente separadas – entre os spins do elétron e do nuclear para preparar um estado de fóton para transferir para o estado de spin nuclear. Isso permite a conectividade interqubit com o fóton e, em última análise, exigirá menos poder de computação e permitirá a transferência de informações para processadores quânticos e memórias quânticas pelo princípio do teletransporte quântico.

O novo método atende a todos os critérios DiVincenzo, que são os critérios necessários para um computador quântico funcionar, e incluem escalabilidade, inicialização, medição, porta universal e coerência longa. Ele também pode ser aplicado além do Stark shift e a outros esquemas de campo magnético para manipular qubits individualmente nesses cenários e pode proteger contra tipos comuns de erros de computação, como erros de porta ou ruído ambiental.

"A razão para a fidelidade aprimorada do nosso esquema em relação aos esquemas totalmente ópticos é o uso de um excesso de grau de liberdade que é mais fácil de controlar", disse Kosaka, referindo-se ao número de variáveis ​​que podem ser controladas usando esse método.

Segundo os pesquisadores, esse avanço é um passo em direção à computação quântica em maior escala.

“Ao melhorar ainda mais a resolução da operação quântica individual e da operação de emaranhamento, computadores quânticos de diamante integrados em larga escala, armazenamentos quânticos e sensores quânticos podem ser realizados”, disse Kosaka. “Também melhorará a capacidade de transmissão de dados da rede repetidora quântica para comunicação quântica de longa distância e rede de computadores quânticos distribuídos ou Internet quântica”.

Os outros autores do artigo foram Yuhei Sekiguchi, do Instituto de Ciências Avançadas da Universidade Nacional de Yokohama, e Kazuki Matsushita e Yoshiki Kawasaki, ambos do Departamento de Física da Escola de Pós-Graduação em Engenharia da Universidade Nacional de Yokohama. + Explorar mais

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