Cadeias de qubits que conversam entre si são criadas no grafeno

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/11/2024

Com a precisão máxima: Usando moléculas especiais de nanografeno, os pesquisadores conseguiram tornar concreto o que era até agora apenas um modelo teórico da física quântica.
[Imagem: Empa]

Fazer um qubit é complicado

Conforme caminhamos na migração dos computadores eletrônicos para os computadores quânticos, uma série de opções têm sido exploradas para criar os qubits, os bits quânticos que irão substituir os bits atuais.

São duas diferenças principais. A primeira é que os efeitos quânticos permitem uma superposição de estados, de modo que o qubit não é nem 1 e nem 0, mas ambos ao mesmo tempo - com diferentes proporções de 0 e 1, o qubit pode teoricamente assumir um número infinito de estados. A segunda é que, para fazer os cálculos, os qubits podem influenciar-se diretamente à distância, por meio do fenômeno do entrelaçamento quântico - mexa em um qubit e você alterará imediatamente outro qubit que estiver entrelaçado com ele, qualquer que seja a distância que os separe.

Parece fácil, mas a interação entre duas partículas quânticas, ou seja, fazer com que um qubit fale com o outro, é de uma complexidade enorme. Embora tudo possa ser descrito matematicamente com alguma facilidade, as equações relevantes dificilmente podem ser resolvidas com exatidão, mesmo para conjuntos relativamente simples de poucos qubits. Esta é uma das razões pelas quais o progresso da computação quântica tem sido mais lento do que gostaríamos.

Mas isso pode começar a mudar, graças ao trabalho de Chenxiao Zhao e colegas do Laboratório Federal Suíço de Ciência e Tecnologia de Materiais (EMPA) e da Universidade Técnica de Dresden, na Alemanha.

A equipe desenvolveu um método que permite que muitos qubits "conversem" entre si de maneira controlada e de uma maneira que possa ser "ouvida", ou seja, é possível entender suas interações.

Esquerda: Imagem de microscopia de tunelamento de varredura de alta resolução do Cálice de Clar. Direita: Modelo estrutural do Cálice de Clar (azul: spin para cima, vermelho: spin para baixo).
[Imagem: Empa]

Cálice de Clar

A equipe trabalhou com qubits implementados no spin de elétrons. O spin é uma propriedade mecânica quântica fundamental, uma espécie de torque que, em termos simples, pode apontar "para cima" (1) ou "para baixo" (0). Quando dois ou mais spins ficam entrelaçados, eles influenciam-se mutuamente: Mude a orientação de um, e a orientação de todos os outros também mudará instantaneamente. Esta é, portanto, uma boa maneira de fazer os qubits "conversarem" entre si.

A teoria por trás de uma cadeia de elétrons desse tipo é familiar a todos os estudantes de física, conhecida como modelo de Heisenberg alternado unidimensional - esse modelo foi descrito há quase 100 anos por Werner Heisenberg, um dos fundadores da mecânica quântica. Embora existam materiais na natureza que contenham tais cadeias de spin, ainda não foi possível incorporar deliberadamente as cadeias em um material.

"Materiais reais são sempre muito mais complexos do que um modelo teórico," explica Roman Fasel, cuja equipe vem trabalhando há algum tempo com uma tecnologia quântica baseada no carbono.

Para criar um material quântico artificial que seja gerenciável, os pesquisadores usaram pequenos pedaços de grafeno. E, para criar um modelo de Heisenberg, a equipe usou uma molécula chamada Cálice de Clar (Erich Clar, 1902-1987), que consiste em onze anéis de carbono dispostos em um formato de ampulheta. Devido a esse formato, há um elétron desemparelhado em cada extremidade - cada um com um spin associado.

O formato das moléculas no grafeno influencia suas propriedades físicas, em particular seu spin. Isso cria uma espécie de "bloco de Lego quântico", de tamanho nanométrico, que os cientistas então usaram para montar cadeias mais longas, unindo os cálices em uma superfície de ouro para formar cadeias. Os dois spins dentro de uma molécula são fracamente ligados, enquanto os spins de molécula para molécula são fortemente ligados - uma realização perfeita da cadeia de Heisenberg alternada.

Uma imagem de microscopia de tunelamento de varredura mostra a cadeia de spin feita de Cálices de Clar individuais.
[Imagem: Empa]

Pegar e usar

Os pesquisadores foram capazes de manipular precisamente o comprimento das cadeias, alternar seletivamente spins individuais e alterná-los de um estado para outro, permitindo que eles investigassem a física complexa deste novo material quântico em grande detalhe.

"Mostramos que modelos teóricos da física quântica podem ser realizados com nanografenos para testar suas previsões experimentalmente," disse Fasel. "Nanografenos com outras configurações de spin podem ser ligados para formar outros tipos de cadeias ou até mesmo sistemas mais complexos."

O trabalho estabelece as bases para que outras equipes trabalhando com processadores quânticos possam testar o uso de qubits baseados em spin com mais facilidade.

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