Pedra semipreciosa espinélio tem qubit para computador quântico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/02/2025

Dois cristais de espinélio, uma família de pedras semipreciosas de diversas cores.
[Imagem: Wikimedia Commons]

Espinélio

Pesquisadores descobriram que a pedra semipreciosa espinélio, conhecida por suas cores vibrantes que lembram pedras preciosas como rubis e safiras, é capaz de armazenar informações quânticas, tornando-a um material viável no campo da computação quântica.

Até agora, apenas o diamante era considerado um hospedeiro de qubits naturais para computadores quânticos, o que ocorre graças a defeitos em sua estrutura cristalina conhecidos como vacâncias de nitrogênio.

"Esta descoberta destaca o incrível potencial de materiais como o espinélio, que há muito são valorizados por suas qualidades estéticas, mas agora estão revelando profundas capacidades científicas," disse o professor David Awschalom, da Universidade de Chicago, nos EUA. "Ao alavancar suas propriedades únicas, não estamos apenas avançando nossa compreensão dos sistemas de qubit, mas também expandindo o kit de ferramentas para tecnologias quânticas de maneiras que antes eram inimagináveis."

No coração da tecnologia da informação quântica estão coleções de qubits. Em um desses sistemas, materiais hospedeiros sólidos, como o diamante, retêm informações quânticas por meio de defeitos atômicos que servem para capturar spins de elétrons. As propriedades transparentes dessas pedras preciosas ajudam a isolar esses qubits de uma maneira estável o suficiente para sua manipulação e sua proteção contra erros.

"Pense nisso como um globo de neve; o vidro do globo de neve protege os objetos de perturbações externas, mas ainda somos capazes de manipulá-lo quando o sacudimos," comparou Manato Kawahara da Universidade de Tohoku, no Japão. "No caso de qubits, usamos campos magnéticos ou elétricos para controlar o spin do qubit."

Essas vantagens em relação a outros sistemas de qubits, como os de átomos aprisionados ou circuitos supercondutores, geraram um grande interesse nos sistemas de qubit de spin de estado sólido, o que levou ao estudo do espinélio (MgAl₂O₄).

Esquema de escrita e leitura do qubit de spin no interior do espinélio.
[Imagem: Manato Kawahara et al. - 10.35848/1882-0786/ad59f4]

Qubit de spin

Os cristais naturais foram avaliados experimentalmente direcionando um feixe de laser para o espinélio (laser incidente) para excitá-lo e, em seguida, medindo a luz emitida (fotoluminescência), para analisar a resposta do material.

Enquanto no diamante o alvo de interesse é um átomo de nitrogênio, que entra na estrutura atômica de carbono, no espinélio esse defeito é gerado pelo elemento cério (Ce).

"Usando um sistema de medição óptica para detectar as informações do qubit de spin, descobrimos que o centro de cério no espinélio pode reter informações do qubit em temperaturas muito baixas (4 K), sob um campo magnético de 500 mT," disse Shun Kanai, membro da equipe.

No entanto, para ser totalmente operacional como um qubit, um sistema precisa demonstrar três funções: Inicialização, manipulação e detecção. Os resultados obtidos pela equipe demonstram que o espinélio possui a primeira e a terceira funções, ou seja, a capacidade de inicializar o qubit e de ter o seu estado lido posteriormente.

Por isso a equipe planeja continuar trabalhando para desenvolver técnicas que permitam o controle do qubit no espinélio. "Olhando para o futuro, planejamos manipular e controlar o qubit de spin para aplicações quânticas emergentes em sensoriamento, comunicação e computação," disse Awschalom.

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