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Os computadores quânticos têm o potencial de serem ferramentas revolucionárias pela sua capacidade de realizar cálculos que levariam muitos anos para os computadores clássicos serem resolvidos.
Mas para criar um computador quântico eficaz, você precisa de um bit quântico confiável, ou qubit, que possa existir em um estado simultâneo 0 ou 1 por um período suficientemente longo, conhecido como tempo de coerência.
Uma abordagem promissora é capturar um único elétron em uma superfície sólida de neon, chamada de qubit elétron-em-neon-sólido. Um estudo liderado pelo Professor Wei Guo da Faculdade de Engenharia da FAMU-FSU que foi publicado em Cartas de revisão física mostra uma nova visão sobre o estado quântico que descreve a condição dos elétrons em tal qubit, informação que pode ajudar os engenheiros a construir esta tecnologia inovadora.
A equipe de Guo descobriu que pequenas saliências na superfície do néon sólido no qubit podem ligar elétrons naturalmente, o que cria estados quânticos em forma de anel desses elétrons. O estado quântico refere-se às diversas propriedades de um elétron, como posição, momento e outras características, antes de serem medidas. Quando as saliências têm um determinado tamanho, a energia de transição do elétron – a quantidade de energia necessária para um elétron se mover de um estado de anel quântico para outro – alinha-se com a energia dos fótons de micro-ondas, outra partícula elementar.
Esse alinhamento permite a manipulação controlada do elétron, necessária para a computação quântica.
“Este trabalho avança significativamente nossa compreensão do mecanismo de captura de elétrons em uma plataforma promissora de computação quântica”, disse Guo. “Ele não apenas esclarece observações experimentais intrigantes, mas também fornece insights cruciais para o design, otimização e controle de qubits de elétron em neon sólido.”
Trabalhos anteriores de Guo e colaboradores demonstraram a viabilidade de uma plataforma qubit de elétron único de estado sólido usando elétrons presos em néon sólido. Pesquisas recentes mostraram tempos de coerência tão grandes quanto 0,1 milissegundo, ou 100 vezes mais do que os tempos de coerência típicos de 1 microssegundo para qubits de carga convencionais baseados em semicondutores e supercondutores.
O tempo de coerência determina por quanto tempo um sistema quântico pode manter um estado de superposição – a capacidade do sistema de estar em vários estados ao mesmo tempo até ser medido, o que é uma característica que dá aos computadores quânticos suas habilidades únicas.
O tempo de coerência estendido do qubit elétron-sobre-néon-sólido pode ser atribuído à inércia e pureza do néon sólido. Este sistema de qubit também aborda a questão das vibrações da superfície líquida, um problema inerente ao qubit elétron-sobre-hélio-líquido mais amplamente estudado. A pesquisa atual oferece insights cruciais para otimizar ainda mais o qubit elétron-sobre-néon-sólido.
Uma parte crucial dessa otimização é criar qubits que sejam suaves na maior parte da superfície sólida de neon, mas tenham saliências do tamanho certo onde são necessárias. Os designers querem saliências naturais mínimas na superfície que atraiam carga elétrica de fundo disruptiva. Ao mesmo tempo, fabricar intencionalmente saliências do tamanho correto dentro do ressonador de micro-ondas no qubit melhora a capacidade de capturar elétrons.
“Esta pesquisa ressalta a necessidade crítica de estudos mais aprofundados sobre como as diferentes condições afetam a fabricação de qubits de néon”, disse Guo. “As temperaturas e a pressão da injeção de néon influenciam o produto qubit final. Quanto mais controle tivermos sobre esse processo, mais precisos poderemos construir e mais nos aproximaremos da computação quântica que pode resolver cálculos atualmente incontroláveis.”
Os co-autores deste artigo foram Toshiaki Kanai, um ex-aluno de pesquisa de pós-graduação no Departamento de Física da FSU, e Dafei Jin, professor associado da Universidade de Notre Dame.
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation, pela Gordon and Betty Moore Foundation e pelo Air Force Office of Scientific Research.
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