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Os computadores quânticos são dispositivos computacionais poderosos que dependem da mecânica quântica, ou a ciência de como partículas como elétrons e átomos interagem com o mundo ao seu redor. Esses dispositivos poderiam ser usados para resolver certos tipos de problemas computacionais em um período de tempo muito menor. Os cientistas há muito esperam que a computação quântica possa ser o próximo grande avanço na computação; no entanto, as limitações existentes impediram a tecnologia de atingir seu verdadeiro potencial. Para que esses computadores funcionem, a unidade básica de informação integral à sua operação, conhecida como bits quânticos, ou qubits, precisa ser estável e rápida.
Qubits são representados tanto por estados quânticos binários simples quanto por várias implementações físicas. Um candidato promissor é um elétron preso que levita no vácuo. No entanto, controlar os estados quânticos, especialmente os movimentos vibracionais, de elétrons presos pode ser difícil.
Em um artigo publicado em Pesquisa de Revisão Física, os pesquisadores identificaram possíveis soluções para algumas das limitações dos qubits para a computação quântica. Eles analisaram dois sistemas quânticos híbridos diferentes: um circuito supercondutor de elétrons e um sistema acoplado de elétron-íon. Ambos os sistemas foram capazes de controlar a temperatura e o movimento do elétron.
“Encontramos uma maneira de esfriar e medir o movimento de um elétron levitado no vácuo, ou um elétron aprisionado, ambos no regime quântico”, disse o professor assistente Alto Osada, do Instituto Komaba de Ciência da Universidade de Tóquio. “Com a viabilidade do controle em nível quântico do movimento dos elétrons presos, o elétron preso se torna mais promissor e atraente para aplicações de tecnologia quântica, como a computação quântica”.
Os sistemas propostos nos quais os pesquisadores se concentraram incluíam um elétron preso no vácuo chamado armadilha de Paul interagindo com circuitos supercondutores e um íon preso. Como os íons são carregados positivamente e os elétrons são carregados negativamente, quando ficam presos juntos, eles se movem um em direção ao outro por causa de um fenômeno chamado atração de Coulomb. Como o elétron tem uma massa tão leve, as interações entre o elétron e o circuito e o elétron e o íon eram particularmente fortes. Eles também descobriram que eram capazes de controlar a temperatura do elétron usando campos de micro-ondas e lasers ópticos.
Outra métrica importante que os pesquisadores usaram para medir o sucesso de seus cálculos foi o modo fônon do elétron. Phonon refere-se a uma unidade de energia que caracteriza uma vibração, ou, neste caso, a oscilação do elétron aprisionado. O resultado desejável foi uma leitura de um único fônon e resfriamento no estado fundamental. O resfriamento do estado fundamental refere-se ao estado congelado do elétron. Os pesquisadores conseguiram fazer isso por meio de seus dois sistemas híbridos que analisaram. “Operações quânticas altamente eficientes e de alta fidelidade estão disponíveis no sistema de elétrons presos”, disse Osada. “Este novo sistema se manifesta como um novo playground para o desenvolvimento de tecnologias quânticas”.
Olhando para o futuro, os pesquisadores observam que pesquisas experimentais adicionais precisarão ser feitas para ver se seus métodos podem ser implementados e aplicados à computação quântica. Por exemplo, eles planejam demonstrar sua ideia com um experimento de prova de conceito. “Estamos planejando examinar nossos esquemas usando elétrons presos em uma cavidade de microondas”, disse Osada. “Através desta pesquisa, seremos capazes de dar mais um passo em direção às operações quânticas precisas e à implementação da computação quântica”.
O projeto JST ERATO MQM, JSPS KAKENHI e JST SPRING apoiaram esta pesquisa.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Universidade de Tóquio. Nota: O conteúdo pode ser editado para estilo e duração.
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