Moléculas não foram usadas na computação quântica, embora tenham o potencial de tornar a tecnologia experimental de ultra-alta velocidade ainda mais rápida. Suas ricas estruturas internas foram vistas como muito complicadas, muito delicadas, muito imprevisíveis para gerenciar, então partículas menores foram usadas.

Mas uma equipe de cientistas de Harvard conseguiu pela primeira vez capturar moléculas para executar operações quânticas. Esse feito foi realizado usando moléculas polares ultrafrias como qubits, ou as unidades fundamentais de informação que alimentam a tecnologia. As descobertas, publicadas recentemente no periódico Nature , abrem novos reinos de possibilidades para aproveitar a complexidade das estruturas moleculares para aplicações futuras.

"Como um campo, temos tentado fazer isso por 20 anos", disse o coautor sênior Kang-Kuen Ni, Theodore William Richards Professor of Chemistry e professor de física. "E finalmente conseguimos fazer isso."

Físicos e engenheiros têm trabalhado para desenvolver a computação quântica por várias décadas. A tecnologia, que explora aspectos da mecânica quântica para computação, promete velocidades exponencialmente mais rápidas do que computadores clássicos, o que pode permitir avanços revolucionários em campos como medicina, ciência e finanças.

Dominando o mundo da computação quântica estão experimentos com íons presos, átomos neutros e circuitos supercondutores. Nesses sistemas, pequenas partículas individuais podem ser presas de forma confiável para servir como qubits e formar portas lógicas quânticas. O artigo da equipe de Harvard detalha o processo muito mais complicado envolvido no uso de moléculas para formar uma porta iSWAP, um circuito quântico essencial que cria emaranhamento — a propriedade que torna a computação quântica tão poderosa.

Os pesquisadores começaram prendendo moléculas de sódio-césio (NaCs) com pinças ópticas em um ambiente estável e extremamente frio. As interações elétricas dipolo-dipolo (ou positivo-negativo) entre as moléculas foram então usadas para executar uma operação quântica. Ao controlar cuidadosamente como as moléculas giravam uma em relação à outra, a equipe conseguiu emaranhar duas moléculas, criando um estado quântico conhecido como estado Bell de dois qubits com 94 por cento de precisão.

Portas lógicas permitem o processamento de informações em computadores quânticos, assim como fazem em computadores tradicionais. Mas enquanto portas clássicas manipulam bits binários (0s e 1s), portas quânticas operam em qubits — que podem atingir o que são chamadas de superposições, existindo em múltiplos estados simultaneamente. Isso significa que computadores quânticos podem fazer coisas que seriam impossíveis para máquinas tradicionais, como criar estados emaranhados em primeiro lugar — ou mesmo executar operações em múltiplos estados computacionais ao mesmo tempo.

Portões quânticos também são reversíveis e capazes de manipular qubits com precisão, preservando sua natureza quântica. O portão iSWAP usado neste experimento trocou os estados de dois qubits e aplicou o que é chamado de deslocamento de fase , uma etapa essencial na geração de emaranhamento, onde os estados de dois qubits se tornam correlacionados, independentemente da distância entre eles.

"Nosso trabalho marca um marco na tecnologia de moléculas presas e é o último bloco de construção necessário para construir um computador quântico molecular", disse a coautora e bolsista de pós-doutorado Annie Park. "As propriedades únicas das moléculas, como sua rica estrutura interna, oferecem muitas oportunidades para avançar essas tecnologias."

Cientistas sonham desde a década de 1990 em aproveitar sistemas moleculares, com seus spins nucleares e técnicas de ressonância magnética nuclear, para computação quântica. Uma série de experimentos iniciais mostrou resultados encorajadores, mas as moléculas se mostraram geralmente instáveis para uso em operações quânticas devido a seus movimentos imprevisíveis. Isso pode interferir na coerência, o delicado estado quântico necessário para operações confiáveis.

Mas prender moléculas em ambientes ultrafrios, onde as intrincadas estruturas internas da molécula podem ser controladas, ajuda a superar esse obstáculo. Uma vez segurando essas moléculas com pinças ópticas — com lasers precisamente focados para controlar objetos minúsculos — os pesquisadores conseguiram minimizar o movimento das moléculas e manipular seus estados quânticos.

Tornando essa descoberta possível estavam vários membros do laboratório de Ni, incluindo Lewis RB Picard, Annie J. Park, Gabriel E. Patenotte e Samuel Gebretsadkan, bem como físicos do Centro de Teoria da Matéria Quântica da Universidade do Colorado.

Para avaliar toda a operação, a equipe de pesquisa mediu o estado Bell de dois qubits resultante e estudou os erros causados por qualquer movimento que ocorresse. Isso os deixou com ideias para melhorar a estabilidade e a precisão de sua configuração em experimentos futuros. Alternar entre estados interativos e não interativos também permitiu que os pesquisadores digitalizassem seu experimento, fornecendo insights adicionais.

"Há muito espaço para inovações e novas ideias sobre como alavancar as vantagens da plataforma molecular", disse Ni. "Estou animado para ver o que sai disso."