Pesquisas conduzidas por fa­sicos da Universidade de Princeton estãoabrindo caminho para o uso de tecnologias baseadas em sila­cio na computação qua¢ntica, especialmente como bits qua¢nticos osas unidades ba¡sicas dos computadores qua¢nticos. Esta pesquisa promete acelerar o uso da tecnologia de sila­cio como uma alternativa via¡vel a outras tecnologias de computação qua¢ntica, como supercondutores ou a­ons presos.

Em pesquisa publicada na revista Science Advances , os fa­sicos de Princeton usaram um dispositivo qua¢ntico de sila­cio de dois qubits para atingir umnívelde fidelidade sem precedentes. Acima de 99 por cento, esta éa mais alta fidelidade alcana§ada atéagora para um portão de dois qubits em um semicondutor e estãono mesmoníveldos melhores resultados alcana§ados por tecnologias concorrentes. A fidelidade, que éuma medida da capacidade de um qubit de realizar operações sem erros, éum recurso fundamental na busca pelo desenvolvimento de computação qua¢ntica prática e eficiente.

Pesquisadores de todo o mundo estãotentando descobrir quais tecnologias oscomo qubits supercondutores , a­ons presos ou qubits de spin de sila­cio, por exemplo ospodem ser melhor empregadas como unidades ba¡sicas da computação qua¢ntica . E, igualmente significativo, os pesquisadores estãoexplorando quais tecnologias tera£o a capacidade de escalar com mais eficiência para uso comercial.

“Os qubits de spin de sila­cio estãoganhando força [no campo]”, disse Adam Mills, estudante de pós-graduação do Departamento de Fa­sica da Universidade de Princeton e principal autor do estudo publicado recentemente. "Parece um grande ano para o sila­cio em geral."

Usando um dispositivo de sila­cio chamado ponto qua¢ntico duplo, os pesquisadores de Princeton conseguiram capturar dois elanãtrons e fora§a¡-los a interagir. O estado de spin de cada elanãtron pode ser usado como um qubit e a interação entre os elanãtrons pode emaranhar esses qubits. Essa operação écrucial para a computação qua¢ntica, e a equipe de pesquisa, liderada por Jason Petta, professor de física Eugene Higgins em Princeton, conseguiu realizar essa operação de emaranhamento com umnívelde fidelidade superior a 99,8%.

Um qubit, em termos mais simples, éuma versão qua¢ntica de um bit de computador, que éa menor unidade de dados em um computador. Como sua contraparte cla¡ssica, o qubit écodificado com informações que podem ter o valor de um ou zero. Mas ao contra¡rio do bit, o qubit écapaz de explorar os conceitos da meca¢nica qua¢ntica para que possa realizar tarefas que os bits cla¡ssicos não podem.

"Em um qubit vocêpode codificar zeros e uns, mas também pode ter superposições desses zeros e uns", disse Mills. Isso significa que cada qubit pode ser simultaneamente zero e um. Esse conceito, chamado superposição, éuma qualidade fundamental da meca¢nica qua¢ntica e que permite que os qubits fazm operações que parecem incra­veis e sobrenaturais. Em termos práticos, permite ao computador qua¢ntico uma vantagem maior sobre os computadores convencionais, por exemplo, fatorando números muito grandes ou isolando a solução mais a³tima para um problema.

O "spin" em qubits de spin éo momento angular do elanãtron. a‰ uma propriedade qua¢ntica que se manifesta como um dipolo magnético minaºsculo que pode ser usado para codificar informações. Um ana¡logo cla¡ssico éuma agulha de baºssola, que tem pa³los norte e sul e gira para se alinhar com o campo magnético da Terra. Mecanicamente qua¢ntica, o spin do elanãtron pode se alinhar com o campo magnético gerado no laboratório (spin-up), ou ser orientado antiparalelo ao campo (spin-down), ou estar em uma superposição qua¢ntica de spin-up e spin-down. Spin éa propriedade do elanãtron aproveitado em dispositivos qua¢nticos baseados em sila­cio; os computadores convencionais, por outro lado, funcionam manipulando a carga negativa de um elanãtron.

Mills afirmou que, em geral, os qubits de spin de sila­cio tem vantagens sobre outros tipos de qubit. "A ideia éque todo sistema tera¡ que ser dimensionado para muitos qubits", disse ele. "E agora, os outros sistemas qubit tem limitações físicas reais para escalabilidade. O tamanho pode ser um problema real com esses sistemas. Ha¡ muito espaço em que vocêpode colocar essas coisas."

Em comparação, os qubits de spin de sila­cio são feitos de elanãtrons aºnicos e são extremamente pequenos.

“Nossos dispositivos tem apenas cerca de 100 nana´metros de dia¢metro, enquanto um qubit supercondutor convencional tem mais de 300 ma­crons de dia¢metro, então se vocêquiser fazer muitos em um chip, serádifa­cil usar uma abordagem supercondutora”, disse Petta.

A outra vantagem dos qubits de spin de sila­cio, acrescentou Petta, éque a eletra´nica convencional hoje ébaseada na tecnologia de sila­cio. "Nosso sentimento éque, se vocêrealmente quiser fazer um milha£o ou dez milhões de qubits que sera£o necessa¡rios para fazer algo prático, isso são acontecera¡ em um sistema de estado sãolido que pode ser dimensionado usando a indústria de fabricação de semicondutores padra£o. "

Ainda assim, operar qubits de spin oscomo outros tipos de qubits oscom alta fidelidade tem sido um desafio para os pesquisadores.

"Um dos gargalos para a tecnologia de spin qubits éque a fidelidade do portão de dois qubits atémuito recentemente não era tão alta", disse Petta. "Esta¡ bem abaixo de 90% na maioria dos experimentos."

Mas era um desafio que Petta e Mills e a equipe de pesquisa acreditavam que poderia ser alcana§ado.

Para realizar o experimento, os pesquisadores primeiro tiveram que capturar um aºnico elanãtron osuma tarefa nada fa¡cil.

"Estamos prendendo um aºnico elanãtron, uma parta­cula muito pequena, e precisamos coloca¡-lo em uma regia£o especa­fica do espaço e depois fazaª-lo dançar", disse Petta.

Para fazer isso, Mills, Petta e seus colegas precisaram construir uma "gaiola". Isso tomou a forma de um semicondutor fino feito principalmente de sila­cio. No topo disso, a equipe modelou pequenos eletrodos , que criam o potencial eletrosta¡tico usado para encurralar o elanãtron. Duas dessas gaiolas juntas, separadas por uma barreira, ou portão, constitua­am o ponto qua¢ntico duplo.

"Temos duas rodadas em locais adjacentes um ao lado do outro", disse Petta. "Ao ajustar a voltagem nesses portaµes, podemos empurrar momentaneamente os elanãtrons e fazer com que eles interajam. Isso échamado de portão de dois qubits."

A interação faz com que cada qubit de spin evolua de acordo com o estado de seus qubits de spin vizinhos, o que leva ao emaranhamento em sistemas qua¢nticos. Os pesquisadores conseguiram realizar essa interação de dois qubits com uma fidelidade superior a 99%. Atéo momento, esta éa maior fidelidade para um portão de dois qubits que atéagora foi alcana§ado em qubits de spin.

Petta disse que os resultados desse experimento colocam essa tecnologia osqubits de spin de sila­cio osem péde igualdade com os melhores resultados alcana§ados pelas outras grandes tecnologias concorrentes. "Esta tecnologia estãoem uma tendaªncia cada vez maior", disse ele, "e acho que éapenas uma questãode tempo atéque ultrapasse os sistemas supercondutores".

"Outro aspecto importante deste artigo", acrescentou Petta, "éque não éapenas uma demonstração de um portão de dois qubits de alta fidelidade , mas este dispositivo faz tudo. Esta éa primeira demonstração de um sistema qubit de spin semicondutor onde temos desempenho integrado de todo o sistema - a preparação do estado, a leitura, o controle de qubit aºnico, o controle de dois qubits - todos com manãtricas de desempenho que excedem o limite necessa¡rio para fazer um sistema em maior escala funcionar."

Além de Mills e Petta, o trabalho também incluiu os esforços dos estudantes de pós-graduação de Princeton Charles Guinn e Mayer Feldman, bem como do professor assistente de engenharia elanãtrica da Universidade da Pensilva¢nia, Anthony Sigillito. Tambanãm contribua­ram para o artigo e a pesquisa Michael Gullans, do Departamento de Fa­sica da Universidade de Princeton e do Centro de Informação Qua¢ntica e Ciência da Computação do NIST/Universidade de Maryland, e Erik Nielsen dos Laborata³rios Nacionais Sandia, Albuquerque, Novo Manãxico.