Diamante é base de memória subatômica para computador quântico

Os físicos foram capazes de “convencer” uma informação quântica frágil em um único elétron a se mover para um núcleo vizinho de nitrogênio.

taniager

28 Junho 2011 | 14h53

 
Greg Fuchs, autor principal do estudo. Crédito: University of California Santa Barbara.
Greg Fuchs, autor principal do estudo. Crédito: University of California Santa Barbara.

Equipe de físicos das universidades da Califórnia de Santa Bárbara (UCSB) nos Estados Unidos e de Constança na Alemanha conseguiu um avanço para a utilização de diamante na física quântica, marcando assim um passo importante em direção à computação quântica. Os resultados são relatados na edição desta semana do site Nature Physics.

 

Os físicos foram capazes de “convencer” uma informação quântica frágil, contida dentro de um único elétron em um diamante, a se mover para dentro de um núcleo vizinho de nitrogênio único e, em seguida, voltar novamente usando fiação no chip.

“Esta capacidade é potencialmente útil para criar um elemento de memória em escala atômica em um computador quântico com base em diamante, uma vez que os estados nucleares subatômicos estão mais isolados de interações destrutivas do mundo exterior”, disse David Awschalom, autor sênior e diretor do Centro para Computação Spintrônica & Quântica da UCSB.

Awschalom argumenta que a descoberta mostra a operação de alta-fidelidade de uma porta quântica no nível atômico, permitindo a transferência de informação quântica completa para e de um spin de elétron e um spin nuclear à temperatura ambiente. O processo é acessível e abre espaço para o desenvolvimento de novos dispositivos quânticos em estado sólido.

Os cientistas haviam demonstrado recentemente que é possível sintetizar milhares desses estados de elétron único com feixes de átomos de nitrogênio, criando intencionalmente defeitos para aprisionar estes elétrons. “O que torna esta demonstração particularmente interessante é que um átomo de nitrogênio é uma parte do próprio defeito, o que significa que esses elementos de memória subatômica se dimensionam automaticamente com o número de bits lógicos no computador quântico,” disse Greg Fuchs, autor principal do estudo.

Em vez de usar elementos lógicos como transistores para manipular os estados digitais “0” ou “1”, um computador quântico precisa de elementos lógicos capazes de manipular estados quânticos que podem ser “0” e “1” ao mesmo tempo. Mesmo à temperatura ambiente, estes defeitos em diamante podem fazer exatamente isto e recentemente se tornaram os principais candidatos para formar uma versão quântica de um transistor.

No entanto, ainda existem grandes desafios para a construção de um computador quântico com base em diamante. Um deles é encontrar um método para armazenar informação quântica de maneira acessível. Ao contrário de um computador convencional, onde a memória e o processador estão em duas localizações físicas diferentes, a memória e o processador no computador quântico estão integrados juntos, bit a bit.

“Sabíamos que o spin nuclear de nitrogênio seria uma boa escolha para uma memória quântica acessível – ele já estava lá,” disse Fuchs. “A parte mais difícil era transferir o estado rapidamente, antes que fosse perdido para o estado de não coerência”.

Awschalom explicada: “um avanço fundamental foi usar uma propriedade exclusiva da física quântica – que dois objetos quânticos podem, em condições especiais, tornar-se misturados para formar um novo objeto composto”. Ao misturar o estado de spin quântico dos elétrons no defeito com o estado de spin do núcleo de nitrogênio por um breve período – menos de 100 bilionésimo de segundo – as informações que foram originalmente codificadas nos elétrons são passadas para o núcleo.

“O resultado é uma transferência extremamente rápida da informação quântica para o spin nuclear de vida longa, o que poderia aumentar ainda mais a nossa capacidade para corrigir erros durante uma computação quântica”, disse o coautor Guido Burkard, físico teórico da Universidade de Constança que desenvolveu um modelo para entender o processo de armazenamento.