No silício, emaranhamento quântico entre núcleos separados por 20 nanômetros

Emaranhamento quântico já virou quase sinônimo de mistério - e não é à toa. A ideia de duas partículas compartilharem uma ligação tão forte que parece “atravessar” a distância foi o tipo de coisa que levou Albert Einstein a chamar o fenômeno de “ação fantasmagórica à distância”.

Só que, para quem trabalha com tecnologia quântica hoje, o emaranhamento é menos assombro e mais ferramenta do dia a dia: ele é, na prática, uma conexão entre partículas e o ingrediente essencial que dá aos computadores quânticos a sua principal vantagem.

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

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

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

Balancing control with noise

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

Os elementos de computação, extremamente frágeis, precisam ficar protegidos de interferências externas e do ruído. Ao mesmo tempo, é indispensável conseguir interagir com eles para realizar cálculos que tenham utilidade.

É por isso que ainda existem tantos tipos de hardware competindo para chegar ao primeiro computador quântico realmente operacional.

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

Getting atomic nuclei to talk to each other

Minha equipe vem trabalhando em uma plataforma que - até hoje - poderia ser colocada nesse segundo grupo. 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 útil, precisaremos operar muitos núcleos atômicos ao mesmo tempo. Mas, até agora, a única forma de trabalhar com vários núcleos era colocá-los bem próximos dentro de um sólido, de modo que todos fossem “envolvidos” por um único elétron.

Normalmente pensamos no elétron como algo muito menor do que o núcleo de um átomo. No entanto, a física quântica diz que ele pode se “espalhar” no espaço, permitindo interagir com múltiplos núcleos ao mesmo tempo.

Mesmo assim, o alcance desse espalhamento é bastante limitado. Além disso, colocar mais núcleos sob o mesmo elétron torna muito difícil controlar cada núcleo de forma 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 na mesma sala - e, nesse caso, a conversa é bem clara.

Mas elas não ouvem nada de fora, e há um limite de quantas pessoas cabem ali. Por isso, esse tipo de conversa não dá para escalar.

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

Os “telefones” são os elétrons. Como eles conseguem se espalhar no espaço, dois elétrons podem “se tocar” mesmo a uma distância considerável.

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

Usamos esse canal eletrônico para criar emaranhamento quântico entre os núcleos por meio de um método chamado “porta geométrica” (geometric gate), que já havíamos usado alguns anos atrás para realizar operações quânticas de alta precisão com átomos em silício.

Agora - pela primeira vez no silício - mostramos que esse método pode escalar para além de pares de núcleos ligados 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 porque é mesmo: há menos de 40 átomos de silício entre os dois átomos de fósforo.

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

No futuro, imaginamos ampliar ainda mais a distância de emaranhamento, porque os elétrons podem ser movidos fisicamente ou “comprimidos” para formar formatos mais alongados.

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

Andrea Morello, Professor, Quantum Nanosystems, UNSW Sydney

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