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A coerência é um pilar da comunicação eficaz, seja por escrito, falado ou no processamento de informações. Este princípio se estende aos bits quânticos, ou qubits, os blocos de construção da computação quântica. Um computador quântico poderá um dia enfrentar desafios anteriormente intransponíveis na previsão do clima, design de materiais, descoberta de medicamentos e muito mais.
Uma equipe liderada pelo Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) alcançou um marco importante em direção à futura computação quântica. Eles ampliaram o tempo de coerência de seu novo tipo de qubit para impressionantes 0,1 milissegundos – quase mil vezes melhor que o recorde anterior.
Na vida cotidiana, 0,1 milissegundo é tão passageiro quanto um piscar de olhos. No entanto, no mundo quântico, representa uma janela longa o suficiente para que um qubit execute milhares de operações.
Ao contrário dos bits clássicos, os qubits aparentemente podem existir em ambos os estados, 0 e 1. Para qualquer qubit funcional, é imperativo manter esse estado misto por um tempo de coerência suficientemente longo. O desafio é proteger o qubit contra a constante barragem de ruído perturbador do ambiente circundante.
Os qubits da equipe codificam informações quânticas nos estados de movimento (carga) do elétron. Por causa disso, eles são chamados de qubits de carga.
“Entre os vários qubits existentes, os qubits de carga eletrônica são especialmente atraentes devido à sua simplicidade de fabricação e operação, bem como à compatibilidade com as infraestruturas existentes para computadores clássicos”, disse Dafei Jin, professor da Universidade de Notre Dame com nomeação conjunta em Argonne e o investigador principal do projeto. “Essa simplicidade deve se traduzir em baixo custo na construção e operação de computadores quânticos em larga escala”.
Jin é ex-cientista do Center for Nanoscale Materials (CNM), uma instalação do DOE Office of Science em Argonne. Enquanto estava lá, ele liderou a descoberta de seu novo tipo de qubit, relatado no ano passado.
O qubit da equipe é um único elétron preso em uma superfície ultralimpa de néon sólido no vácuo. O néon é importante porque resiste às perturbações do ambiente circundante. Neon é um dos poucos elementos que não reagem com outros elementos. A plataforma neon mantém o qubit do elétron protegido e garante inerentemente um longo tempo de coerência.
“Graças à pequena pegada de elétrons únicos no néon sólido, os qubits feitos com eles são mais compactos e promissores para escalar até múltiplos qubits ligados”, disse Xu Han, cientista assistente do CNM com nomeação conjunta na Pritzker School of Molecular. Engenharia na Universidade de Chicago. “Esses atributos, juntamente com o tempo de coerência, tornam nosso qubit de elétrons excepcionalmente atraente.”
Após a otimização experimental contínua, a equipe não apenas melhorou a qualidade da superfície de néon, mas também reduziu significativamente os sinais perturbadores. Conforme relatado na Nature Physics, o trabalho deles valeu a pena com um tempo de coerência de 0,1 milissegundos. Isso representa um aumento de cerca de mil vezes em relação aos 0,1 microssegundos iniciais.
“A longa vida útil do nosso qubit de elétrons nos permite controlar e ler os estados de qubit único com altíssima fidelidade”, disse Xinhao Li, pós-doutorado em Argonne e co-primeiro autor do artigo. Desta vez, está bem acima dos requisitos da computação quântica.
“Em vez de 10 a 100 operações durante os tempos de coerência dos qubits convencionais de carga de elétrons, nossos qubits podem realizar 10.000 com precisão e velocidade muito altas”, disse Jin.
Ainda outro atributo importante de um qubit é sua escalabilidade para se conectar com muitos outros qubits. A equipe alcançou um marco significativo ao mostrar que qubits de dois elétrons podem ser acoplados ao mesmo circuito supercondutor, de modo que as informações possam ser transferidas entre eles através do circuito. Isto marca um passo fundamental em direção ao emaranhamento de dois qubits, um aspecto crítico da computação quântica.
A equipe ainda não otimizou totalmente seu qubit de elétrons e continuará trabalhando para estender ainda mais o tempo de coerência, bem como para emaranhar dois ou mais qubits.
O trabalho foi financiado pelo DOE Office of Basic Energy Sciences; um prêmio de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório da Argonne; e Q-NEXT, um Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica do DOE Energy com sede em Argonne. O financiamento adicional veio da Fundação Julian Schwinger para Pesquisa Física e da National Science Foundation.
Esta pesquisa foi publicada em Física da Natureza. Além de Jin, Han e Li, os colaboradores de Argonne incluem os pós-doutorandos Xianjing Zhou e Qianfan Chen. Outros colaboradores incluem o co-autor David I. Schuster, ex-professor de física da Universidade de Chicago, agora na Universidade de Stanford, e Xufeng Zhang, ex-cientista da CNM e agora professor da Northeastern University. Também listados como autores estão Gerwin Koolstra, Ge Yang, Brennan Dizdar, Yizhong Huang e Christopher S. Wang.
As instituições colaboradoras incluem o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, o Instituto de Tecnologia de Massachusetts, a Northeastern University, a Universidade de Stanford, a Universidade de Chicago e a Universidade de Notre Dame.
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