Cientistas balançam o núcleo de um átomo e criam qubit anti-interferência

Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/09/2024

A demonstração abre caminho para o armazenamento de informações quânticas dentro do núcleo de um átomo, onde elas ficam protegidas de perturbações externas.
[Imagem: TU Delft]

Balançando o núcleo de um átomo

Os átomos balançam constantemente, e é comum ver os físicos tentando congelá-los até perto do zero absoluto para que eles parem de se mexer, o que facilita seu estudo.

Mas o oposto também é verdadeiro, só que muito mais difícil: Fazer um átomo agir como um balanço, mexendo-se não de modo aleatório, como normalmente, mas de modo controlado, pode abrir uma nova janela para as tecnologias quânticas, incluindo armazenar dados para a computação quântica.

Lukas Veldman e colegas da Universidade de Tecnologia de Delft, nos Países Baixos, fizeram mais do que isso: Eles conseguiram iniciar um movimento controlado de modo tão preciso que eles balançaram não um átomo inteiro, mas o núcleo de um átomo.

Para isso, eles fizeram o núcleo atômico interagir com um dos elétrons das camadas mais externas do átomo. Esse elétron pode então ser manipulado através da agulha de um microscópio de varredura por tunelamento.

Isso oferece perspectivas para armazenar informações quânticas dentro do núcleo, e isso é radical porque as informações no núcleo ficam muito mais protegidas, a salvo de perturbações externas, resolvendo um dos maiores gargalos de todas as tecnologias quânticas, que está na fragilidade dos estados quânticos, que se desfazem mediante a menor interferência.

É a primeira vez que se consegue controlar a matéria nesse nível de precisão.
[Imagem: Lukas M. Veldman et al. - 10.1038/s41467-024-52270-0]

Qubit à prova de interferências

A equipe trabalhou com um único átomo de titânio, mais especificamente de um de seus isótopos, o Ti-47.

"Ele tem um nêutron a menos que o Ti-48, naturalmente abundante, o que torna o núcleo ligeiramente magnético," justificou o professor Sander Otte. Esse magnetismo - o "spin" na linguagem quântica - pode ser visto como uma espécie de agulha de bússola que pode apontar em várias direções. A orientação do spin em um determinado momento constitui uma parte da informação quântica.

O núcleo de um átomo flutua dentro de um vazio gigantesco, muito distante dos elétrons em órbita, o que significa que ele fica basicamente alheio ao ambiente em torno do átomo como um todo. Mas há uma exceção: Devido à interação hiperfina, extremamente fraca, o spin nuclear pode ser influenciado pelo spin de um dos elétrons.

"Mais fácil falar do que fazer," disse Veldman, responsável por colocar a mão na massa. "A interação hiperfina é tão fraca que é eficaz apenas em um campo magnético muito pequeno e precisamente ajustado."

Armazenando informações quânticas

Depois de ajustar pacientemente todas as condições experimentais, Veldman usou um pulso de eletricidade para tirar o spin do elétron do equilíbrio, de modo que os spins do elétron e do núcleo oscilassem juntos por uma fração de microssegundo. "Exatamente como Schrödinger previu," disse Veldman, comemorando seu feito experimental.

Junto com os experimentos, o pesquisador realizou cálculos que reproduziram surpreendentemente bem as flutuações observadas. A forte concordância entre as observações e as previsões demonstra que nenhuma informação quântica é perdida durante a interação entre o elétron e o núcleo.

A blindagem eficiente do ambiente torna o spin nuclear um ótimo candidato para armazenar informações quânticas, e a técnica experimental desenvolvida pela equipe pode facilitar isto.

"Este experimento dá aos humanos influência no estado da matéria em uma escala inimaginavelmente pequena. Para mim, só isso já faz valer o esforço," comentou o professor Otte.

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