Criados bits quânticos que mantém dados à temperatura ambiente

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/04/2024

A incorporação de um cromóforo em uma estrutura metal-orgânica suprimiu o movimento molecular o suficiente para manter a coerência quântica por mais tempo do que as memórias eletrônicas atuais conseguem manter seus dados.
[Imagem: Nobuhiro Yanai]

Qubits quentes

Físicos japoneses anunciaram ter alcançado a coerência quântica à temperatura ambiente, que é a capacidade de um sistema quântico de manter um estado bem definido (um dado) ao longo do tempo sem ser afetado por perturbações do seu entorno.

A "perturbação ambiental" é o maior problema da computação quântica porque gera perda de dados, razão pela qual os computadores atuais precisam ser mantidos próximo ao zero absoluto dentro de geladeiras especiais, chamadas refrigeradores de diluição - e, mesmo assim, os qubits acabam sendo afetados, o que gera o segundo maior problema da computação quântica, o excesso de erros.

A manutenção da coerência quântica a temperatura ambiente - o que equivale a manter intacto o dado de um qubit sem resfriamento - foi possível incorporando um cromóforo, uma molécula de corante que absorve luz e emite cor, em uma estrutura metal-orgânica, ou MOF, um material cristalino nanoestruturado com uma porosidade extrema, composto de íons metálicos e ligantes orgânicos.

Qubits de elétrons com cromóforos

Vários sistemas têm sido empregados para implementar qubits, sendo uma das abordagens a utilização do spin intrínseco de um elétron - o spin é uma propriedade quântica relacionada ao momento magnético da partícula. Os elétrons têm dois estados de spin: para cima e para baixo. Qubits baseados em spin podem existir em uma combinação desses estados e podem ser entrelaçados, permitindo que o estado de um qubit seja inferido por outro, viabilizando a realização de cálculos.

Cromóforos podem ser usados para induzir os elétrons a assumir spins específicos em temperatura ambiente através de um processo chamado fissão de singleto, um estado quântico com momento angular total zero que se desintegra em duas partículas com momentos angulares opostos. No entanto, à temperatura ambiente, as informações quânticas armazenadas em qubits perdem a superposição e o entrelaçamento quântico. Como resultado, normalmente só é possível alcançar coerência quântica em temperaturas no nível do nitrogênio líquido (-195,8 °C).

Para acalmar as coisas, suprimindo o movimento molecular e alcançando coerência quântica à temperatura ambiente, os pesquisadores introduziram um cromóforo baseado em pentaceno (hidrocarboneto aromático policíclico que consiste em cinco anéis de benzeno fundidos linearmente) em um MOF especial que, além de conseguir acumular muitos cromóforos, tem poros pequenos o suficiente para que essas moléculas tenham seu movimento fortemente restringindo, girando apenas num determinado ângulo.

Os qubits ficam acondicionados dentro de cerâmicas especiais conhecidas como MOFs, com poros em nanoescala.
[Imagem: Akio Yamauchi et al. - 10.1126/sciadv.adi3147]

Qubits a temperatura ambiente

Ao enviar energia aos elétrons com pulsos de micro-ondas, os pesquisadores puderam observar a coerência do estado quântico se manter por mais de 100 nanossegundos à temperatura ambiente.

"Esta é a primeira coerência quântica de quintetos emaranhados à temperatura ambiente," disse o professor Yasuhiro Kobori, da Universidade Kyushu. Se 100 nanossegundos parece pouco, isso é cerca de 10 vezes mais o tempo que uma memória RAM eletrônica consegue manter seu bit.

Este avanço abre caminho para o projeto de materiais para a geração de múltiplos qubits em temperatura ambiente. "Será possível gerar qubits de estado multiexcitônico quinteto de forma mais eficiente no futuro, procurando moléculas convidadas que possam induzir uma maior supressão de movimentos e desenvolvendo estruturas MOF adequadas," comentou o professor Nobuhiro Yanai. "Isso pode abrir portas para a computação quântica molecular à temperatura ambiente, baseada no controle de múltiplas portas quânticas e na detecção quântica de vários compostos alvo."

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