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Os cientistas descobriram que um nanomaterial tubular de carbono é o hospedeiro ideal para manter os bits quânticos girando no lugar para uso em tecnologias de informação quântica.
Os cientistas estão competindo vigorosamente para transformar as descobertas contra-intuitivas sobre o reino quântico de um século passado em tecnologias do futuro. O bloco de construção dessas tecnologias é o bit quântico, ou qubit. Vários tipos diferentes estão em desenvolvimento, incluindo aqueles que usam defeitos nas estruturas simétricas do diamante e do silício. Eles podem um dia transformar a computação, acelerar a descoberta de medicamentos, gerar redes invioláveis e muito mais.
Trabalhando com pesquisadores de várias universidades, cientistas do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) descobriram um método para introduzir elétrons giratórios como qubits em um nanomaterial hospedeiro. Os resultados dos testes revelaram tempos de coerência recordes – a propriedade chave para qualquer qubit prático porque define o número de operações quânticas que podem ser executadas durante o tempo de vida do qubit.
Os elétrons têm uma propriedade análoga ao giro de um pião, com uma diferença fundamental. Quando os piões giram no lugar, eles podem girar para a direita ou para a esquerda. Os elétrons podem se comportar como se estivessem girando em ambas as direções ao mesmo tempo. Esta é uma característica quântica chamada superposição. Estar em dois estados ao mesmo tempo torna os elétrons bons candidatos para spin qubits. Spin qubits precisam de um material adequado para abrigá-los, controlá-los e detectá-los, bem como ler informações neles. Pensando nisso, a equipe optou por investigar um nanomaterial feito apenas de átomos de carbono, com formato tubular oco e espessura de apenas cerca de um nanômetro, ou um bilionésimo de metro, cerca de 100 mil vezes mais fino que a largura de um cabelo humano.
“Esses nanotubos de carbono têm tipicamente alguns micrômetros de comprimento”, disse Xuedan Ma. “Eles estão livres de spins nucleares flutuantes que interfeririam no spin do elétron e reduziriam seu tempo de coerência”.
Ma é cientista do Centro de Materiais em Nanoescala (CNM) de Argonne, uma instalação do usuário do Departamento de Ciências do DOE. Ela também tem cargos na Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago e no Instituto de Ciência e Engenharia Northwestern-Argonne da Universidade Northwestern.
O problema que a equipe enfrentou é que os nanotubos de carbono sozinhos não conseguem manter um elétron girando em um local. Ele se move sobre o nanotubo. Pesquisadores anteriores inseriram eletrodos com nanômetros de distância para confinar um elétron giratório entre eles. Mas esse arranjo é volumoso, caro e desafiador de escalar.
A equipe atual desenvolveu uma maneira de eliminar a necessidade de eletrodos ou outros dispositivos em nanoescala para confinar o elétron. Em vez disso, eles alteram quimicamente a estrutura atômica em um nanotubo de carbono de uma maneira que prende um elétron em rotação em um local.
“Para nossa satisfação, nosso método de modificação química cria um spin qubit incrivelmente estável em um nanotubo de carbono”, disse o químico Jia-Shiang Chen. Chen é membro do CNM e pós-doutorando no Centro de Transdução Quântica Molecular da Northwestern University.
Os resultados dos testes da equipe revelaram tempos de coerência recordes em comparação com os de sistemas feitos por outros meios – 10 microssegundos.
Dado seu pequeno tamanho, a plataforma spin qubit da equipe pode ser mais facilmente integrada a dispositivos quânticos e permite muitas maneiras possíveis de ler as informações quânticas. Além disso, os tubos de carbono são muito flexíveis e suas vibrações podem ser usadas para armazenar informações do qubit.
“É um longo caminho desde o nosso spin qubit em um nanotubo de carbono até as tecnologias práticas, mas este é um grande passo inicial nessa direção”, disse Ma.
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