Os pesquisadores começaram a usar ímãs para emaranhar qubits, os blocos de construção dos computadores quânticos. Esta técnica simples poderia desbloquear capacidades complexas.



Quando você aperta um botão para abrir a porta de uma garagem, ele não abre todas as portas de garagem da vizinhança. Isso ocorre porque o abridor e a porta se comunicam usando uma frequência de micro-ondas específica, uma frequência que nenhuma outra porta próxima está usando.

Pesquisadores do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), da Universidade de Chicago, da Universidade de Iowa e da Universidade Tohoku no Japão começaram a desenvolver dispositivos que poderiam usar os mesmos princípios - enviar sinais através de ímãs em vez de pelo ar - conectar qubits individuais através de um chip, conforme relatado em um novo artigo publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences .

“Esta é uma prova de conceito, à temperatura ambiente, de uma tecnologia quântica robusta e escalável que utiliza materiais convencionais”, disse David Awschalom, professor da Família Liew em engenharia molecular e física na Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago; o diretor da Chicago Quantum Exchange; o diretor do Q-NEXT, um Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica do DOE hospedado em Argonne; e o investigador principal do projeto. “A beleza deste experimento está em sua simplicidade e no uso de tecnologia bem estabelecida para projetar e, em última análise, emaranhar dispositivos quânticos.

Conectar qubits por meio de emaranhamento quântico é necessário para construir um computador quântico, mas muitas vezes pode ser complicado. Com centros de vacância de nitrogênio (NV) – defeitos no diamante que podem ser usados ​​como qubits – o desafio é que, para se comunicarem, eles precisam estar muito, muito próximos. A interação quântica normal entre os centros NV tem um alcance máximo de apenas alguns nanômetros – um milésimo da largura de um fio de cabelo – e quando os centros NV estão tão próximos, eles não podem ser projetados em uma configuração útil.

“Você precisa conseguir colocar as mãos nas coisas para conectar fios e fazer um dispositivo”, disse Michael Flatté, professor de física e astronomia da Universidade de Iowa que contribuiu para o trabalho. Flatté também é cientista-chefe da empresa de tecnologia quântica QuantCAD LLC, parceira corporativa da Chicago Quantum Exchange. "E nanômetros está muito perto disso."

É aí que entram os ímãs.

Há dois anos, Flatté e seus colaboradores publicaram um artigo teórico que propunha o uso de um material magnético para fazer uma conexão quântica entre centros NV, para que pudessem ficar emaranhados enquanto estivessem mais distantes. A interação normal entre dois centros NV envolve microondas. Neste dispositivo proposto, o ímã recebe a micro-ondas do centro NV e a transmite via “magnon” para o NV do outro lado.

Num ímã, os spins de todos os elétrons dentro dele apontam na mesma direção, como talos de grãos apontando para cima. Um magnon é uma leve perturbação de onda através desses giros, como uma onda que o vento faria no campo de grãos. Os magnons podem ir muito além dos nanômetros – até mil vezes mais longe, na verdade, até muitos micrômetros.

“A escala micrométrica é bastante interessante porque é a escala típica de muitos dispositivos eletrônicos integrados, como transistores de silício em um chip de computador”, disse Flatté. "Então, se você fizesse coisas desse tamanho, poderia obter um número razoável delas em um chip."

Conectar qubits centrais NV com ímãs também permite interação seletiva:se dois qubits no computador quântico falassem em uma frequência ligeiramente diferente, eles poderiam se enredar sem perturbar ou ser afetados pelos outros qubits, mesmo que houvesse outros qubits entre eles. Essa capacidade é extremamente importante para o tipo de trabalho complexo que os cientistas desejam que os computadores quânticos realizem.

Esta experiência de Awschalom e seus colaboradores verificou com sucesso que o centro NV poderia “falar” com o material magnético, transmitindo suas microondas como um magnon. Além disso, os números correspondiam quase perfeitamente ao que foi previsto no artigo teórico de dois anos atrás.

“Este trabalho apresenta uma boa sinergia entre experimento e teoria”, disse Masaya Fukami, primeiro autor do artigo. Fukami fez pós-doutorado na Escola Pritzker de Engenharia Molecular da UChicago durante o experimento e agora trabalha na empresa de computação quântica PsiQuantum. "Fiquei realmente impressionado com o quão bem o modelo previu o experimento. Isso me dá muita confiança sobre este sistema."

Agora que estabeleceram que o centro NV pode comunicar com o íman, o próximo passo é colocar outro centro NV do outro lado e ver se o íman pode mediar uma ligação quântica entre os dois.

“Esta é a primeira modalidade de integração com ímãs”, disse Flatté. “Acho que é uma abordagem realmente poderosa que, em princípio, também poderia ser aplicada a outros sistemas qubit de estado sólido.”

Mais informações: Masaya Fukami et al, acoplamento de qubit mediado por Magnon determinado por meio de medições de dissipação, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2313754120
Informações do diário: Anais da Academia Nacional de Ciências

Fornecido pela Universidade de Chicago