Uma futura rede quântica pode se tornar menos complicada graças a pesquisadores da Universidade de Chicago, do Laboratório Nacional de Argonne e da Universidade de Cambridge.



Uma equipe de pesquisadores anunciou um avanço na engenharia de redes quânticas. Ao “esticar” finas películas de diamante, eles criaram bits quânticos que podem operar com equipamentos e despesas significativamente reduzidos. A mudança também torna os bits mais fáceis de controlar.

Os pesquisadores esperam que as descobertas, publicadas em 29 de novembro na Physical Review X , pode tornar as futuras redes quânticas mais viáveis.

"Esta técnica permite aumentar drasticamente a temperatura operacional desses sistemas, a ponto de operá-los consumir muito menos recursos", disse Alex High, professor assistente da Escola Pritzker de Engenharia Molecular, cujo laboratório liderou o estudo.

Dilatação de diamante

Os bits quânticos, ou qubits, têm propriedades únicas que os tornam de interesse para os cientistas que procuram o futuro das redes de computação – por exemplo, poderiam tornar-se virtualmente imunes a tentativas de hacking. Mas há desafios significativos a resolver antes de se tornar uma tecnologia generalizada e quotidiana.

Um dos principais problemas está nos “nós” que retransmitiriam informações ao longo de uma rede quântica. Os qubits que compõem esses nós são muito sensíveis ao calor e às vibrações, por isso os cientistas devem resfriá-los a temperaturas extremamente baixas para funcionarem.

“A maioria dos qubits hoje exige uma geladeira especial do tamanho de uma sala e uma equipe de pessoas altamente treinadas para operá-la, então se você está imaginando uma rede quântica industrial onde teria que construir uma a cada cinco ou 10 quilômetros, agora você estamos falando de bastante infraestrutura e mão de obra", explicou High.

O laboratório de High trabalhou com pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne, um laboratório nacional do Departamento de Energia dos EUA afiliado à UChicago, para experimentar os materiais dos quais esses qubits são feitos para ver se eles poderiam melhorar a tecnologia.

Um dos tipos mais promissores de qubits é feito de diamantes. Conhecidos como centros de cores do Grupo IV, esses qubits são conhecidos por sua capacidade de manter o emaranhado quântico por períodos relativamente longos, mas para isso eles devem ser resfriados até um pouquinho acima do zero absoluto.

A equipe queria mexer na estrutura do material para ver quais melhorias poderiam fazer – uma tarefa difícil, dada a dureza dos diamantes. Mas os cientistas descobriram que poderiam “esticar” o diamante em nível molecular se colocassem uma fina película de diamante sobre o vidro quente. À medida que o vidro esfria, ele encolhe a uma taxa mais lenta do que o diamante, esticando ligeiramente a estrutura atômica do diamante – como o pavimento que se expande ou contrai à medida que a terra esfria ou aquece abaixo dele, explicou High.

Grande impacto

Este alongamento, embora afaste apenas os átomos numa quantidade infinitesimal, tem um efeito dramático no comportamento do material.

Primeiro, os qubits agora podem manter sua coerência em temperaturas de até 4 Kelvin (ou -452°F). Ainda está muito frio, mas pode ser conseguido com equipamentos menos especializados. “É uma diferença de ordem de magnitude em infraestrutura e custos operacionais”, disse High.

Em segundo lugar, a mudança também permite controlar os qubits com microondas. As versões anteriores tinham que usar luz no comprimento de onda óptico para inserir informações e manipular o sistema, o que introduzia ruído e significava que a confiabilidade não era perfeita. Com o uso do novo sistema e das microondas, porém, a fidelidade subiu para 99%.

É incomum ver melhorias em ambas as áreas simultaneamente, explicou Xinghan Guo, Ph.D. estudante de física no laboratório da High e primeiro autor do artigo.

"Normalmente, se um sistema tem uma vida útil de coerência mais longa, é porque é bom em 'ignorar' interferências externas - o que significa que é mais difícil de controlar, porque resiste a essa interferência", disse ele. "É muito emocionante que, ao fazer uma inovação fundamental com a ciência dos materiais, tenhamos conseguido superar esse dilema."

"Ao compreender a física em jogo nos centros de cores do Grupo IV no diamante, adaptamos com sucesso suas propriedades às necessidades das aplicações quânticas", disse o cientista do Laboratório Nacional de Argonne, Benjamin Pingault, também coautor do estudo.

“Com a combinação de tempo coerente prolongado e controle quântico viável via microondas, o caminho para o desenvolvimento de dispositivos baseados em diamante para redes quânticas está claro para centros de vagas de estanho”, acrescentou Mete Atature, professor de física da Universidade de Cambridge e coautor. no estudo.

Mais informações: Xinghan Guo et al, Controle quântico baseado em micro-ondas e proteção de coerência de qubits de spin com vacância de estanho em uma heteroestrutura de membrana de diamante ajustada por tensão, Revisão física X (2023). DOI:10.1103/PhysRevX.13.041037
Informações do diário: Revisão Física X

Fornecido pela Universidade de Chicago