Qubit de cristal bate novo recorde mundial de armazenamento

Redação do Site Inovação Tecnológica - 23/03/2022

Cristal utilizado para armazenar qubits fotônicos e iluminado por laser em um criostato, instrumento para obtenção de temperaturas criogênicas.
[Imagem: Antonio Ortu]

Qubit durável

Ao conseguir armazenar um qubit em um cristal (uma memória) por 20 milissegundos, uma equipe da Universidade de Genebra, na Suíça, estabeleceu um recorde mundial no campo da computação quântica e deu um grande passo para o desenvolvimento de redes de telecomunicações de longa distância ultrasseguras.

Depois de algumas centenas de quilômetros dentro de uma fibra óptica, os fótons que carregam os dados acabam se perdendo. Para evitar isso, são necessários repetidores, que "reforcem" os fótons, para que eles percorram o trecho seguinte da viagem. Repetidores que fazem isso nas comunicações atuais estão por toda parte, mas a construção de repetidores quânticos ainda é um desafio, sobretudo pela dificuldade em construir memórias quânticas robustas.

Como a informação quântica não pode ser copiada ou amplificada - ela perderia o estado quântico que garante sua confidencialidade - o desafio é encontrar uma forma de repetir a informação sem alterá-la, criando repetidores baseados, principalmente, em uma memória quântica.

Memória quântica de cristal

Há uma década, a equipe liderada pelo professor Mikael Afzelius conseguiu armazenar um qubit carregado por um fóton em um cristal, criando uma memória quântica de estado sólido. No entanto, o fenômeno não durou o suficiente para permitir a construção de uma rede maior de memórias, pré-requisito para o desenvolvimento das telecomunicações quânticas de longa distância.

Em 2015, a equipe fez com que o dado ficasse armazenado durante 0,5 milissegundo, o que permitiu que o fóton transferisse seu estado quântico para os átomos do cristal antes de desaparecer.

Agora, eles conseguiram conseguiu aumentar essa duração, armazenando um qubit por 20 milissegundos com confiabilidade, o que abre o caminho para aplicações práticas - lembre-se que a memória dos computadores atuais têm latência na casa dos nanossegundos.

"Trata-se de um recorde mundial para uma memória quântica baseada em um sistema de estado sólido, neste caso um cristal. Até conseguimos atingir a marca de 100 milissegundos com uma pequena perda de fidelidade," entusiasma-se o pesquisador.

Uma memória quântica é essencial para as redes quânticas de longa distância.
[Imagem: Antonio Ortu et al. - 10.1038/s41534-022-00541-3]

Repetidor quântico

Como nas demonstrações anteriores, os cristais são dopados com metais de terras raras (neste caso, o elemento európio), que são capazes de absorver luz e depois reemiti-la. Esses cristais são mantidos próximos do zero absoluto, porque basta uma elevação de 10 °C para que a agitação térmica do cristal destrua o entrelaçamento dos átomos.

"Nós aplicamos um pequeno campo magnético, de um milésimo de Tesla, ao cristal e usamos métodos dinâmicos de desacoplamento, que consistem em enviar intensas frequências de rádio ao cristal. O efeito dessas técnicas é desacoplar os íons de terras raras das perturbações do ambiente e aumentar o desempenho de armazenamento que havíamos alcançado até agora em quase 40 vezes," explicou o pesquisador Antonio Ortu, responsável pelo melhoramento.

Ainda há desafios a serem superados, mas agora a equipe já fala em construir o primeiro repetidor quântico prático.

"O desafio agora é estender ainda mais o tempo de armazenamento. Em teoria, bastaria aumentar o tempo de exposição do cristal às radiofrequências, mas, por enquanto, obstáculos técnicos para sua implementação por um período maior nos impedem de ultrapassar os 100 milissegundos. No entanto, é certo que essas dificuldades técnicas podem ser resolvidas. O objetivo é desenvolver um sistema que funcione bem em todos esses pontos e que possa ser comercializado em dez anos," concluiu o professor Afzelius.

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