Materiais Avançados

Meta-átomos funcionam como qubits gêmeos

Meta-átomos funcionam como qubits gêmeos
Demonstração do metamaterial quântico com seus qubits gêmeos. [Imagem: NUST MISIS]

Meta-átomos e meta-materiais

Uma equipe da Rússia e da Alemanha conseguiu um avanço radical na criação de materiais aparentemente impossíveis - eles criaram o primeiro metamaterial quântico que pode ser usado como um elemento de controle em circuitos elétricos supercondutores.

Se parece um tanto complicado, isso significa "peça de computador quântico". E, além de ser uma peça essencial, o material em escala macro comporta-se não segundo a física clássica, mas segundo as leis da mecânica quântica.

Os anos recentes têm testemunhado o avanço dos materiais artificiais, substâncias cujas propriedades são determinadas não tanto pelos átomos que os compõem, mas pelo arranjo estrutural desses átomos. Cada elemento da estrutura mede de nanômetros a micrômetros e tem seu próprio conjunto de propriedades. Curiosamente, essas propriedades tão interessantes simplesmente desaparecem quando o material é decomposto em seus componentes.

É por isso que esses elementos são chamados de meta-átomos. Qualquer substância formada por meta-átomos é chamada de metamaterial - não confundir com os átomos comuns da Tabela Periódica, já que os meta-átomos são fabricados com um ou com vários desses elementos, como ouro, prata, silício etc.

Material quântico

Até recentemente, outra diferença entre os átomos e os meta-átomos era que as propriedades dos átomos convencionais eram descritas por equações da mecânica quântica, enquanto que os meta-átomos eram descritos pelas equações da física clássica - eles são bem grandes em comparação com os átomos dos elementos da Tabela Periódica.

No entanto, quando a turma da computação quântica começou a criar qubits, isso gerou uma oportunidade para se criar metamateriais formados por meta-átomos cujo estado poderia ser descrito quântico-mecanicamente. Mas, até agora, os resultados vinham sendo qubits "incomuns", sem grande interesse prático.

Agora, acaba de ser criado o primeiro "qubit gêmeo" do mundo, tendo como base um metamaterial - um metamaterial quântico, ou seja, que tem o comportamento de seus elementos básicos explicados pela mecânica quântica.

Qubit gêmeo

Um qubit convencional do tipo supercondutor, como o que compõe o processador quântico que a Intel apresentou há algumas semanas, consiste em um esquema que inclui três junções Josephson. O qubit gêmeo, no entanto, é composto por cinco junções Josephson que são simétricas ao eixo central.

"Qubits duplos servirão como um sistema mais complexo do que os qubits supercondutores convencionais. A lógica aqui é bastante simples: um sistema mais complexo (artificialmente complexo), com um grande número de graus de liberdade, tem um maior número de fatores que podem influenciar suas propriedades. Alterando algumas propriedades externas do ambiente onde o nosso metamaterial está localizado, podemos ativar e desativar essas propriedades passando o qubit gêmeo de um estado com determinadas propriedades para outro estado com outras propriedades," explicou o professor Alexey Ustinov, de Universidade Nacional de Ciência e Tecnologia da Rússia.

Meta-átomos funcionam como qubits gêmeos
Microfotografia mostrando a estrutura dos qubits gêmeos. [Imagem: NUST MISIS]

Essa possibilidade ficou bem demonstrada durante o experimento, conforme todo o metamaterial formado por qubits gêmeos como seus elementos fundamentais alternava entre dois modos diferentes.

"Em um desses modos, a cadeia de qubits transmite radiação eletrônica na faixa de micro-ondas muito bem, enquanto permanece um elemento quântico. Em outro modo, ele gira a fase supercondutora em 180 graus e bloqueia a transmissão de ondas eletromagnéticas através de si. E ele ainda permanece um sistema quântico.

"Assim, com a ajuda de um campo magnético, esse material pode ser usado como elemento de controle em sistemas de sinais quânticos (fótons separados) em circuitos, com os quais os computadores quânticos em desenvolvimento são feitos," disse Ilya Besedin, coautor do trabalho.

Outra possibilidade ainda mais imediata é usar os metamateriais e seus qubits gêmeos em simuladores quânticos, usados para modelar o comportamento de átomos e moléculas, que têm elementos de aleatoriedade e complexidade grandes demais mesmo para os simuladores por software rodando em supercomputadores.

Bibliografia:

Magnetically induced transparency of a quantum metamaterial composed of twin flux qubits
K. V. Shulga, E. Il ichev, M. V. Fistul, I. S. Besedin, S. Butz, O. V. Astafiev, U. Hübner, A. V. Ustinov
Nature Communications
Vol.: 9, Article number: 150
DOI: 10.1038/s41467-017-02608-8




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