Em pesquisas que poderiam impulsionar o trabalho em direção à Internet quântica, pesquisadores do MIT e da Universidade de Cambridge construíram e testaram um dispositivo extraordinariamente pequeno que poderia permitir o fluxo rápido e eficiente de informações quânticas em grandes distâncias.



A chave do dispositivo é um “microchiplet” feito de diamante no qual alguns dos átomos de carbono do diamante são substituídos por átomos de estanho. As experiências da equipa indicam que o dispositivo, que consiste em guias de onda para a luz transportar a informação quântica, resolve um paradoxo que tem impedido a chegada de redes quânticas grandes e escaláveis.

A informação quântica na forma de bits quânticos, ou qubits, é facilmente interrompida pelo ruído ambiental, como campos magnéticos, que destroem a informação. Então, por um lado, é desejável ter qubits que não interajam fortemente com o ambiente. Por outro lado, porém, esses qubits precisam interagir fortemente com a luz, ou fótons, chave para transportar a informação por distâncias.

Os pesquisadores do MIT e de Cambridge permitem ambos, cointegrando dois tipos diferentes de qubits que trabalham em conjunto para salvar e transmitir informações. Além disso, a equipe relata alta eficiência na transferência dessas informações.

"Este é um passo crítico, pois demonstra a viabilidade de integração de qubits eletrônicos e nucleares em um microchiplet. Esta integração aborda a necessidade de preservar informações quânticas em longas distâncias, mantendo uma forte interação com os fótons. Isso foi possível através da combinação das forças de as equipes da Universidade de Cambridge e do MIT", diz Dirk Englund, professor associado do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) do MIT e líder da equipe do MIT. Englund também é afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT.

O professor Mete Atatüre, líder da equipe de Cambridge, afirma:"Os resultados são resultado de um forte esforço colaborativo entre as duas equipes de pesquisa ao longo dos anos. É ótimo ver a combinação de previsão teórica, fabricação de dispositivos e implementação de novos controles ópticos quânticos, tudo em um só trabalho."

O trabalho foi publicado na Nature Photonics .

Trabalhando em escala quântica

Um bit de computador pode ser considerado qualquer coisa com dois estados físicos diferentes, como “ligado” e “desligado”, para representar zero e um. No estranho mundo ultrapequeno da mecânica quântica, um qubit “tem a propriedade extra de que, em vez de estar em apenas um desses dois estados, pode estar em uma superposição dos dois estados. ao mesmo tempo", diz Martínez. Vários qubits emaranhados ou correlacionados entre si podem compartilhar muito mais informações do que os bits associados à computação convencional. Daí o poder potencial dos computadores quânticos.

Existem muitos tipos de qubits, mas dois tipos comuns são baseados no spin, ou na rotação de um elétron ou núcleo (da esquerda para a direita ou da direita para a esquerda). O novo dispositivo envolve qubits eletrônicos e nucleares.

Um elétron giratório, ou qubit eletrônico, é muito bom em interagir com o meio ambiente, enquanto o núcleo giratório de um átomo, ou qubit nuclear, não é. "Combinamos um qubit que é conhecido por interagir facilmente com a luz com um qubit que é conhecido por ser muito isolado e, portanto, preservar informações por um longo tempo. Ao combinar esses dois, achamos que podemos obter o melhor de ambos os mundos", diz Martínez.

Como funciona? “O elétron [qubit eletrônico] que circula no diamante pode ficar preso no defeito do estanho”, diz Harris. E esse qubit eletrônico pode então transferir suas informações para o núcleo giratório de estanho, o qubit nuclear.

“A analogia que gosto de usar é o sistema solar”, continua Harris. “Você tem o sol no meio, esse é o núcleo de estanho, e então você tem a Terra girando em torno dele, e esse é o elétron. Podemos optar por armazenar a informação na direção da rotação da Terra, esse é o nosso qubit eletrônico. podemos armazenar a informação na direção do Sol, que gira em torno de seu próprio eixo. Esse é o qubit nuclear."

Em geral, então, a luz transporta informações através de uma fibra óptica para o novo dispositivo, que inclui uma pilha de vários pequenos guias de onda de diamante, cada um cerca de 1.000 vezes menor que um fio de cabelo humano. Vários dispositivos, então, poderiam atuar como nós que controlam o fluxo de informações na Internet quântica.

O trabalho descrito em Nature Photonics envolve experimentos com um dispositivo. “Eventualmente, porém, poderá haver centenas ou milhares destes num microchip”, diz Martínez. Em um estudo de 2020 publicado na Nature , pesquisadores do MIT, incluindo vários dos autores atuais, descreveram sua visão para a arquitetura que permitirá a integração em larga escala dos dispositivos.

Harris observa que seu trabalho teórico previu uma forte interação entre o núcleo de estanho e o qubit eletrônico de entrada. "Era dez vezes maior do que esperávamos, então pensei que o cálculo provavelmente estava errado. Então a equipe de Cambridge apareceu e mediu, e foi legal ver que a previsão foi confirmada pelo experimento."

Concorda Martínez:“A teoria mais os experimentos finalmente nos convenceram de que [essas interações] estavam realmente acontecendo”.

Mais informações: Ryan A. Parker et al, Uma interface nanofotônica de diamante com um registro de spin eletronuclear determinístico opticamente acessível, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01332-8
Informações do diário: Fotônica da Natureza , Natureza

Fornecido pelo Laboratório de Pesquisa de Materiais, Instituto de Tecnologia de Massachusetts