Em silício, emaranhamento quântico entre núcleos separados por 20 nanômetros

O emaranhamento quântico - aquele fenômeno que Albert Einstein ironizou como “ação fantasmagórica à distância” - costuma aparecer como algo quase mágico, ao mesmo tempo fascinante e difícil de aceitar.

Para quem trabalha com computação quântica no dia a dia, porém, a ideia é bem mais direta: emaranhamento é um tipo de ligação entre partículas e é justamente uma das peças centrais que tornam os computadores quânticos diferentes.

Embora esses aparelhos ainda estejam no começo, é o emaranhamento que permitirá fazer coisas que computadores clássicos não conseguem, como simular com mais precisão sistemas quânticos naturais - por exemplo, moléculas, fármacos ou catalisadores.

Em uma nova pesquisa publicada hoje na Science, meus colegas e eu demonstramos emaranhamento quântico entre dois núcleos atômicos separados por cerca de 20 nanômetros.

À primeira vista, isso pode parecer pouco. Mas o método que usamos representa um avanço prático e conceitual e pode ajudar a construir computadores quânticos usando um dos sistemas mais precisos e confiáveis para armazenar informação quântica.

Balancing control with noise

O desafio para os engenheiros de computadores quânticos é equilibrar duas necessidades que puxam em direções opostas.

Os elementos de computação, que são frágeis, precisam ficar protegidos de interferências externas e de ruído. Ao mesmo tempo, é necessário conseguir interagir com eles para realizar cálculos que façam sentido.

Por isso ainda existe uma grande variedade de hardwares competindo para chegar primeiro a um computador quântico funcional.

Algumas abordagens são ótimas para operações rápidas, mas sofrem mais com ruído. Outras ficam muito bem isoladas do ruído, porém são difíceis de operar e de escalar.

Getting atomic nuclei to talk to each other

Meu grupo vem trabalhando em uma plataforma que - até hoje - se encaixava mais no segundo caso. Implantamos átomos de fósforo em chips de silício e usamos o spin dos núcleos desses átomos para codificar informação quântica.

Para construir um computador quântico realmente útil, será preciso lidar com muitos núcleos atômicos ao mesmo tempo. Mas, até agora, a única forma de trabalhar com múltiplos núcleos era colocá-los muito próximos dentro de um sólido, de modo que todos pudessem ser “envolvidos” por um único elétron.

Costumamos imaginar o elétron como muito menor que o núcleo de um átomo. No entanto, a física quântica diz que ele pode se “espalhar” no espaço, permitindo interagir com vários núcleos atômicos simultaneamente.

Ainda assim, o alcance desse espalhamento de um único elétron é bastante limitado. Além disso, colocar mais núcleos sob o mesmo elétron torna muito difícil controlar cada núcleo de maneira individual.

Electronic 'telephones' to entangle remote nuclei

Dá para dizer que, até agora, os núcleos eram como pessoas em salas à prova de som. Elas conseguem conversar entre si desde que estejam todas na mesma sala - e o diálogo sai bem claro.

Mas não ouvem nada de fora, e só cabe um número limitado de pessoas ali dentro. Portanto, esse tipo de conversa não escala.

No nosso novo trabalho, é como se tivéssemos dado telefones para que as pessoas conversassem com outras salas. Cada sala continua silenciosa por dentro, mas agora dá para ter conversas entre muito mais pessoas, mesmo que estejam longe.

Os “telefones” são os elétrons. Por conseguirem se espalhar no espaço, dois elétrons podem “se tocar” a uma distância considerável.

E, se cada elétron estiver acoplado diretamente a um núcleo atômico, os núcleos conseguem se comunicar por meio da interação entre os elétrons.

Usamos esse canal de elétrons para criar emaranhamento quântico entre os núcleos usando um método chamado “porta geométrica” (geometric gate), que já havíamos empregado alguns anos atrás 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 conectados ao mesmo elétron.

Fitting in with integrated circuits

No nosso experimento, os núcleos de fósforo estavam separados por 20 nanômetros. Se isso ainda parece uma distância pequena, é mesmo: há menos de 40 átomos de silício entre os dois átomos de fósforo.

Mas essa também é a escala em que transistores de silício do dia a dia são fabricados. Criar emaranhamento quântico na escala de 20 nanômetros significa que podemos integrar nossos qubits de spin nuclear - longevos e bem protegidos - à arquitetura já existente de chips padrão de silício, como os usados em celulares e computadores.

No futuro, imaginamos aumentar ainda mais a distância do emaranhamento, porque os elétrons podem ser movidos fisicamente ou comprimidos em formas mais alongadas.

Nosso avanço mais recente significa que o progresso em dispositivos quânticos baseados em elétrons pode ser aplicado à construção de computadores quânticos que usam spins nucleares de longa duração para realizar computações confiáveis.

Andrea Morello, Professor, Quantum Nanosystems, UNSW Sydney

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