Emaranhamento quântico entre núcleos separados por 20 nanômetros no silício

O emaranhamento quântico - que Albert Einstein chegou a rejeitar como "ação assustadora à distância" - há décadas alimenta a curiosidade do público e desafia até investigadores experientes.

Para quem trabalha hoje com tecnologia quântica, porém, o fenómeno é bem menos misterioso: trata-se de uma ligação entre partículas e é o ingrediente essencial dos computadores quânticos.

Embora esses equipamentos ainda estejam numa fase inicial, é o emaranhamento que lhes permitirá fazer o que computadores clássicos não conseguem - por exemplo, simular com mais fidelidade sistemas quânticos naturais, como moléculas, fármacos ou catalisadores.

Num novo estudo publicado hoje na Science, eu e os meus colegas demonstrámos emaranhamento quântico entre dois núcleos atómicos separados por cerca de 20 nanômetros.

À primeira vista, isso pode parecer uma distância modesta. Ainda assim, a abordagem que usamos representa um avanço prático e conceptual, com potencial para ajudar a construir computadores quânticos apoiados num dos sistemas mais precisos e confiáveis para armazenar informação quântica.

Equilibrar controlo e ruído

O grande desafio para quem projeta computadores quânticos é conciliar duas exigências que puxam em direções opostas.

Por um lado, os elementos de computação - extremamente frágeis - precisam ser protegidos de interferências externas e de ruído. Por outro, é indispensável conseguir interagir com esses elementos para realizar cálculos com utilidade.

Essa tensão explica por que ainda há tantas arquiteturas de hardware a competir para chegar primeiro a um computador quântico operacional.

Algumas plataformas conseguem executar operações muito rápidas, mas pagam o preço de maior ruído. Outras permanecem muito bem isoladas, porém são difíceis de controlar e de escalar.

Fazer núcleos atómicos “conversarem” entre si

O meu grupo tem desenvolvido uma plataforma que - até agora - se enquadrava no segundo grupo. Implantámos átomos de fósforo em chips de silício e usamos o spin do núcleo desses átomos para codificar informação quântica.

Para criar um computador quântico realmente útil, será necessário manipular muitos núcleos atómicos em paralelo. Só que, até aqui, a forma disponível para trabalhar com múltiplos núcleos era posicioná-los muito próximos dentro de um sólido, de modo que todos ficassem “sob” o mesmo eletrão.

Em geral, imaginamos um eletrão como algo muito menor do que o núcleo de um átomo. No entanto, a física quântica mostra que ele pode “espalhar-se” no espaço, permitindo interagir com vários núcleos ao mesmo tempo.

Mesmo assim, a distância sobre a qual um único eletrão consegue espalhar-se é limitada. Além disso, quanto mais núcleos partilham o mesmo eletrão, mais difícil se torna controlar cada núcleo de maneira individual.

‘Telefones’ eletrónicos para emaranhar núcleos distantes

Até agora, dá para pensar nos núcleos como pessoas em salas à prova de som. Eles conseguem conversar entre si desde que estejam na mesma sala - e, nesse caso, as conversas são muito nítidas.

O problema é que eles não ouvem nada do lado de fora, e há um limite para quantas pessoas cabem numa única sala. Portanto, esse tipo de comunicação não escala.

No nosso novo trabalho, é como se tivéssemos dado telefones para que as pessoas se comunicassem com outras salas. Cada sala continua silenciosa por dentro, mas passa a ser possível manter conversas entre muito mais pessoas, mesmo que estejam distantes.

Esses “telefones” são os eletrões. Por conseguirem espalhar-se no espaço, dois eletrões podem “tocar-se” mesmo estando relativamente afastados.

E, se cada eletrão estiver acoplado diretamente a um núcleo atómico, os núcleos conseguem comunicar-se por meio da interação entre os eletrões.

Usámos esse canal eletrónico para gerar emaranhamento quântico entre os núcleos com um método chamado "porta geométrica", que já tínhamos aplicado, há alguns anos, para realizar operações quânticas de alta precisão com átomos em silício.

Agora - pela primeira vez em silício - mostramos que esse método pode escalar para além de pares de núcleos ligados ao mesmo eletrão.

Compatibilidade com circuitos integrados

No nosso experimento, os núcleos de fósforo ficaram separados por 20 nanômetros. Se isso ainda parece pouco, é porque é mesmo: há menos de 40 átomos de silício entre os dois de fósforo.

Mas esta também é a ordem de grandeza na qual transístores de silício do dia a dia são fabricados. Conseguir emaranhamento quântico na escala de 20 nanômetros significa que podemos integrar os nossos qubits de spin nuclear - de longa vida e bem protegidos - na arquitetura já existente de chips padrão de silício, como os que estão em telemóveis e computadores.

Para o futuro, imaginamos ampliar ainda mais a distância do emaranhamento, uma vez que os eletrões podem ser deslocados fisicamente ou comprimidos em formas mais alongadas.

O nosso avanço mais recente indica que o progresso obtido em dispositivos quânticos baseados em eletrões pode ser aproveitado na construção de computadores quânticos que usem spins nucleares longevos para executar computações confiáveis.

Andrea Morello, Professor, Quantum Nanosystems, UNSW Sydney

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.