Elétrons que se dividem viabilizam o mais poderoso dos computadores quânticos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/10/2024

Os elétrons vêm em fila no circuito nanoeletrônico. Mas, na hora H, o que se observa equivale a dois meio-elétrons.
[Imagem: Sen/Mitchell - 10.1103/PhysRevLett.133.076501]

Computador quântico mais poderoso

O computador quântico topológico por enquanto existe apenas na teoria, mas, quando se tornar realidade, será a máquina de computação mais estável e mais poderosa do mundo. Há trabalho a fazer, contudo, sobretudo pelo fato de que esse tipo de computador quântico requer um tipo especial de qubit (bit quântico) que ninguém ainda conseguiu construir.

Nos materiais topológicos, os elétrons caminham pelas bordas sem qualquer empecilho, o que os deixa imunes à interferência e, portanto, à perda de seus estados quânticos. Isso significa que eles podem funcionar como qubits virtualmente à prova de erros.

Mas um fenômeno inusitado acaba de vir em socorro dessa tecnologia tão promissora. A matéria comum é composta de átomos que contêm elétrons, e os cientistas há muito tempo consideram que os elétrons são partículas fundamentais indivisíveis. No entanto, alguns experimentos surpreendentes vêm mostrando que uma característica estranha da mecânica quântica pode ser usada para produzir objetos que se comportam como metade de um elétron, ou que o elétron se divide e torna-se uma fração de si mesmo - esse fenômeno ficou conhecido como "carga fracionária".

A novidade agora é que esses "elétrons divididos" podem funcionar como qubits topológicos, podendo conter a chave para fazer deslanchar todo o esperado poder de computação dos computadores quânticos topológicos.

A descoberta foi feita pelo professor Andrew Mitchell, do Colégio Universitário de Dublin, na Irlanda, e por Sudeshna Sen, do Instituto Indiano de Tecnologia.

Encarar o elétron como um universo abre o caminho para novas tecnologias quânticas.
[Imagem: Jiahao Han et al. - 10.1038/s41567-024-02476-2]

Meio elétron

Os dois pesquisadores estavam estudando as propriedades quânticas dos circuitos eletrônicos em nanoescala, como quando os elétrons devem circular em fios 1D, ou nanofios.

"A miniaturização da eletrônica chegou ao ponto agora em que os componentes do circuito têm apenas nanômetros de diâmetro. Nessa escala, as regras do jogo são definidas pela mecânica quântica, e você tem que abrir mão da sua intuição sobre como as coisas funcionam.

"Uma corrente que flui por um fio é, na verdade, composta de muitos elétrons, e conforme você torna o fio cada vez menor, você pode observar os elétrons passando um por um. Agora podemos até fazer transistores que funcionam com apenas um único elétron," contextualizou o professor Sen.

E é nesses circuitos eletrônicos em nanoescala que a interferência entre os elétrons pode levar a estados em que os elétrons parecem se dividir.

"Em um circuito nanoeletrônico, elétrons que seguem caminhos diferentes no circuito podem interferir destrutivamente e bloquear o fluxo da corrente. Esse fenômeno já foi observado antes em dispositivos quânticos.

"A novidade que descobrimos é que, ao forçar vários elétrons próximos o suficiente para se repelirem fortemente, a interferência quântica é alterada. Embora as únicas partículas fundamentais no circuito sejam elétrons, coletivamente elas podem se comportar como se o elétron tivesse sido dividido em dois," explicou o professor Mitchell.

O resultado é o chamado "férmion de Majorana", uma partícula teorizada em 1937, mas cuja observação experimental ainda é controversa. A descoberta anunciada agora torna-se ainda mais importante para o desenvolvimento de novas tecnologias quânticas se a partícula de Majorana puder ser criada em um dispositivo eletrônico.

"Houve uma grande busca por Majoranas nos últimos anos porque elas são um ingrediente-chave para os propostos computadores quânticos topológicos. Podemos ter encontrado uma maneira de produzi-los em dispositivos nanoeletrônicos usando o efeito de interferência quântica," disse o professor Mitchell.

Experimento da dupla fenda.
[Imagem: University College Dublin]

Interferência quântica explicada pelo experimento de dupla fenda

Quando um circuito nanoeletrônico é projetado de modo a dar aos elétrons a escolha entre dois caminhos diferentes, ocorre uma interferência quântica, um fenômeno que é em quase tudo semelhante ao que ocorre no tradicional experimento da dupla fenda, que demonstra que os componentes fundamentais da matéria podem ser encarados como partículas ou como ondas.

Foi o experimento da dupla fenda, ao demonstrar as propriedades ondulatórias de partículas quânticas como o elétron, que levaram ao desenvolvimento da mecânica quântica, na década de 1920.

Elétrons individuais são disparados rumo a um anteparo que tem duas pequenas aberturas. Do outro lado, uma placa fotográfica registra onde cada elétron chegou. Como funcionam como ondas, os elétrons podem passar por qualquer fenda, interferindo uns com os outros. Na verdade, um único elétron pode interferir consigo mesmo, assim como uma onda faz quando passa por ambas as fendas ao mesmo tempo.

Como os elétrons podem passar por qualquer fenda, ou pelas duas, as ondas que emergem do outro lado podem interagir e se recombinar de maneiras complexas, produzindo um padrão de interferência. Quando o pico de uma onda colide com o vale de outra, elas se cancelam - o resultado prático disso é que o elétron não conseguiu passar.

"É a mesma coisa que está acontecendo em um circuito nanoeletrônico," comparou o professor Mitchell. "A interferência quântica pode ser usada para produzir os tipos de qubits que precisamos para computadores quânticos mais poderosos."

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