Avanço no entrelaçamento quântico: alcançado entre os núcleos de dois átomos

A ideia de duas partículas “conversarem” instantaneamente, mesmo separadas, parecia tão estranha que Albert Einstein a apelidou de “ação fantasmagórica à distância”. Ainda hoje, o entrelaçamento quântico continua despertando curiosidade - e, às vezes, confusão - mesmo entre quem acompanha ciência de perto.

Para quem trabalha com tecnologia quântica no dia a dia, porém, o entrelaçamento é menos mistério e mais ferramenta: trata-se de um tipo de ligação entre partículas que está no coração do funcionamento dos computadores quânticos.

Embora esses dispositivos ainda estejam no começo da trajetória, é o entrelaçamento que deve permitir que eles façam o que computadores clássicos não conseguem - por exemplo, simular com mais fidelidade sistemas quânticos naturais, como moléculas, fármacos ou catalisadores.

Em uma nova pesquisa publicada hoje na Science, meus colegas e eu demonstramos entrelaçamento quântico entre dois núcleos atômicos separados por cerca de 20 nanômetros.

Isso pode soar como uma distância modesta. Mas a abordagem que usamos representa um avanço prático e conceitual, com potencial para ajudar a construir computadores quânticos usando um dos sistemas mais precisos e confiáveis para armazenar informação quântica.

Balancing control with noise

O desafio para engenheiros de computadores quânticos é equilibrar duas necessidades opostas.

Os elementos frágeis de computação precisam ser protegidos de interferências externas e de ruído. Ao mesmo tempo, é indispensável conseguir interagir com eles para executar cálculos que tenham utilidade.

É por isso que ainda existem tantos tipos diferentes de hardware competindo para chegar primeiro a um computador quântico operacional.

Algumas tecnologias são excelentes para realizar operações rápidas, mas sofrem com ruído. Outras ficam muito bem isoladas do ruído, porém são difíceis de operar e de escalar.

Getting atomic nuclei to talk to each other

Meu grupo vem trabalhando em uma plataforma que - até hoje - se encaixava mais no segundo grupo. Implantamos átomos de fósforo em chips de silício e usamos o spin dos núcleos desses átomos para codificar informação quântica.

Para construir um computador quântico útil, vamos precisar manipular muitos núcleos atômicos ao mesmo tempo. Mas, até agora, a única maneira de trabalhar com vários núcleos era colocá-los muito próximos dentro de um sólido, onde pudessem ficar “sob” um único elétron.

Normalmente pensamos no elétron como sendo muito menor do que o núcleo de um átomo. No entanto, a física quântica diz que ele pode se “espalhar” no espaço, de modo a interagir com múltiplos núcleos ao mesmo tempo.

Mesmo assim, o alcance sobre o qual um único elétron pode se espalhar é bem limitado. Além disso, adicionar mais núcleos ao mesmo elétron torna muito difícil controlar cada núcleo individualmente.

Electronic 'telephones' to entangle remote nuclei

Podemos dizer que, até agora, os núcleos eram como pessoas colocadas em salas à prova de som. Elas conseguem conversar entre si desde que estejam na mesma sala - e as conversas ficam bem claras.

Mas não ouvem nada do lado de fora, e há um limite de quantas pessoas cabem ali. Por isso, esse modo de “conversa” não dá para escalar.

No nosso novo trabalho, é como se tivéssemos dado telefones às pessoas para falar com outras salas. Cada sala continua bem silenciosa por dentro, mas agora dá para ter conversas entre muito mais pessoas, mesmo que estejam distantes.

Os “telefones” são elétrons. Pela capacidade de se espalhar no espaço, dois elétrons podem “se tocar” mesmo a uma distância considerável.

E, se cada elétron estiver diretamente acoplado a um núcleo atômico, os núcleos conseguem se comunicar por meio da interação entre os elétrons.

Usamos esse canal de elétrons para criar entrelaçamento quântico entre os núcleos por meio de um método chamado “porta geométrica” (geometric gate), que já havíamos usado alguns anos atrás para realizar operações quânticas de alta precisão com átomos em silício.

Agora - pela primeira vez em silício - mostramos que esse método pode escalar para além de pares de núcleos ligados ao mesmo elétron.

Fitting in with integrated circuits

No nosso experimento, os núcleos de fósforo estavam separados por 20 nanômetros. Se isso ainda parece pequeno, é porque é: há menos de 40 átomos de silício entre os dois átomos de fósforo.

Mas essa também é a escala em que transistores de silício do dia a dia são fabricados. Criar entrelaçamento quântico na escala de 20 nanômetros significa que podemos integrar nossos qubits de spin nuclear - duradouros e bem protegidos - à arquitetura já existente de chips de silício padrão, como os usados em celulares e computadores.

No futuro, imaginamos aumentar ainda mais a distância de entrelaçamento, porque os elétrons podem ser movidos fisicamente ou “apertados” para assumir formas mais alongadas.

Nosso avanço mais recente significa que o progresso em dispositivos quânticos baseados em elétrons pode ser aplicado à construção de computadores quânticos que usam spins nucleares de longa duração para realizar computações confiáveis.

Andrea Morello, Professor, Quantum Nanosystems, UNSW Sydney

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