Teletransporte dentro de um diamante simplifica esse fenômeno intrigante

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/07/2019

A estrutura cristalina do diamante contém um centro de vacância de nitrogênio. Um isótopo de carbono (verde) é primeiro entrelaçado com um elétron (azul) na vacância, que então espera por um fóton (vermelho) para absorver, resultando na transferência do estado do fóton para o núcleo de carbono.
[Imagem: Yokohama National University]

Teletransporte "simples"

Pesquisadores japoneses teletransportaram informações quânticas com segurança - dentro de um diamante.

O teletransporte já se tornou uma tecnologia padrão no campo da computação quântica, movendo de um lugar para outro até mesmo operações lógicas inteiras, e não apenas dados.

"O teletransporte quântico permite a transferência de informações quânticas para um espaço de outra forma inacessível. Ele também permite a transferência de informações para uma memória quântica sem revelar e sem destruir a informação quântica armazenada," descreveu o professor Hideo Kosaka, da Universidade Nacional de Yokohama.

A demonstração da equipe japonesa tem implicações importantes para a tecnologia da informação quântica, é claro, mas é a "simplicidade" do experimento - o mecanismo quase direto de funcionamento - que chama a atenção, revelando muito sobre os segredos deste fenômeno ainda pouco compreendido.

Qubits de nitrogênio

O espaço inacessível ao qual o professor Kosaka se refere está no interior do diamante. Um diamante é feito de átomos de carbono interconectados de uma maneira característica, mas individualmente contidos. Cada átomo de carbono contém seis prótons e seis nêutrons em seu núcleo, cercados por seis elétrons em constante movimento. À medida que os átomos de carbono se ligam em um diamante, eles formam uma rede incrivelmente forte, ao contrário do modo como os mesmos átomos de carbono se ligam para formar o grafite.

Mas os diamantes podem ter defeitos. O mais famoso deles ocorre quando um átomo de nitrogênio ocupa uma de duas vagas adjacentes, onde deveria haver dois átomos de carbono, mas não há. Esse defeito é chamado de centro de cor, ou vacância de nitrogênio.

Cercado por átomos de carbono, a estrutura do núcleo do átomo de nitrogênio cria uma espécie de nanoímã. É esse nanomagneto que vem sendo explorado como qubit em uma das principais abordagens da computação quântica - ao lado dos qubits supercondutores, dos qubits moleculares, dos qubits iônicos e dos qubits no silício.

O que a equipe fez foi pegar o dado guardado em uma vacância de nitrogênio e transportá-lo dentro da mesma estrutura no interior do diamante. Isso é essencial para enfileirar os diversos qubits necessários para um computador quântico prático ou para transferir suas informações para o mundo externo.

Protocolo de um repetidor quântico unidirecional com um centro de cor em cada nó. Um fóton é emitido de um nó (esquerda), deixando um elétron entrelaçado com o fóton emitido. O sucesso do armazenamento de fótons no outro nó (direita) estabelece o entrelaçamento entre dois nós adjacentes.
[Imagem: 10.1038/s42005-019-0158-0]

Como funciona o teletransporte quântico

Para manipular um elétron e um isótopo de carbono na vacância, a equipe usou um fio de cerca de um quarto da largura de um fio de cabelo humano para aplicar micro-ondas e ondas de rádio, gerando um campo magnético oscilante ao redor do diamante. O feixe de micro-ondas foi ajustado para criar as condições ideais e controladas para a transferência da informação quântica, "imunizando" o sistema contra ruídos externos.

Usando as micro-ondas e as ondas de rádio, o spin do elétron foi forçado a se entrelaçar com o spin nuclear de carbono. O spin do elétron se perde sob um campo magnético criado pelo nanomagneto de nitrogênio, permitindo que ele se torne suscetível ao entrelaçamento quântico - ou emaranhamento.

Uma vez que as duas partes estão entrelaçadas, ou seja, suas características físicas estão tão interligadas que não podem ser descritas individualmente, um fóton que contém uma informação quântica é aplicado, e o elétron absorve o fóton, "lendo" a informação.

Como o elétron e o núcleo estão entrelaçados, assim que o dado do fóton é recebido pelo elétron, ele ativa instantaneamente o núcleo de carbono, demonstrando um teletransporte de informações no nível quântico.

Repetidor quântico

Parece um experimento simples, mas o sistema compõe um repetidor quântico, capaz de receber partes individuais de informações - os bits - e repassá-los de nó a nó de uma rede, que pode expandir-se por todos os qubits disponíveis a qualquer distância.

"Nosso objetivo final é construir repetidores quânticos escaláveis para comunicações quânticas de longa distância e computadores quânticos distribuídos para a computação quântica em grande escala e para metrologia," resumiu o professor Kosaka.

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