Pesquisadores oferecem a possibilidade de um mundo novo, onde núcleos atômicos individuais armazenam e recuperam dados

No caminho de uma geração de computadores ultrarrápidos, físicos usaram explosões de ondas de rádio para criar 10 bilhões de pares quânticos de partículas subatômicas em silício. Os pesquisadores oferecem um vislumbre de um mundo futuro, onde núcleos atômicos individuais armazenam e recuperam dados - e elétrons únicos os transportam de um lado para outro.

Em artigo na revista "Nature", uma equipe liderada pelos físicos John Morton, da Universidade de Oxford, e Kohei Itoh, da Universidade Keio, descreve o bombardeio de um cristal 3D com microondas e pulsos de rádio, para criar os pares entrelaçados. Esse é um dos esforços concorrentes para produzir qubits, ou bits quânticos - o equivalente da computação quântica para os transistores de hoje.

Transistores armazenam informações com base em se elas estão ligadas ou desligadas. No experimento, qubits armazenam informações na forma da orientação, ou giro, de um núcleo atômico ou elétron. A habilidade de armazenamento depende do entrelaçamento, onde a alteração em uma partícula afeta instantaneamente outra partícula - mesmo se elas estiverem amplamente separadas. A nova abordagem tem um potencial significativo, segundo cientistas, pois pode permitir que projetistas da computação quântica explorem componentes e tecnologias de baixo custo e facilmente fabricáveis - hoje amplamente usadas na indústria eletrônica de consumo.

"Acho que é um trabalho muito bem feito", disse Raymond Laflamm, físico da Universidade de Waterloo, em Ontário, "mas é importante enxergá-lo como uma peça de um grande quebra-cabeça. Nosso objetivo é construir um computador quântico que poderia ter milhares de qubits; aqui nós temos apenas alguns".
Realmente, ainda não existe um consenso sobre se computadores quânticos comerciais ou cientificamente úteis jamais serão produzidos. Até agora, cientistas projetaram protótipos baseados em apenas um punhado de qubits, pouco demais para ganhar qualquer velocidade significativa sobre os computadores convencionais.

Nos computadores binários de hoje, transistores podem estar no estado "ligado" ou "desligado" - mas a computação quântica explora a ideia da superposição, onde um qubit pode ser construído para representar tanto o um quanto o zero simultaneamente.

O poder potencial de computação quântica vem da possibilidade de realizar uma operação matemática em ambos os estados, simultaneamente. Num sistema de dois qubits, seria possível computar quatro valores ao mesmo tempo; num sistema de três qubits seriam oito, num sistema de quatro qubits seriam 16, e assim por diante. À medida que cresce o número de qubits, o poder potencial de processamento aumenta exponencialmente.

Existe, é claro, uma pegadinha. O simples ato de mensurar ou observar um qubit pode anular seu potencial de computação. Assim, pesquisadores usaram um entrelaçamento quântico - pelo qual medir uma propriedade de uma delas instantaneamente revela informações da outra - para extrair informações. Porém, criar e manter qubits em estados entrelaçados tem sido algo incrivelmente desafiador.

A nova abordagem se baseia num isótopo de silício purificado dopado com átomos de fósforo. A equipe de pesquisa conseguiu criar e mensurar numerosos pares entrelaçados de núcleos atômicos e elétrons quando o cristal foi resfriado a cerca de 3 graus kelvin. A equipe espera produzir a base para um sistema de computação quântica ao mover os elétrons entrelaçados, para entrelaçá-los simultaneamente com um segundo núcleo.

"Nós moveríamos o elétron do giro nuclear em que ele está para o giro nuclear vizinho", explicou Morton. "Esse passo de troca é o que realmente precisamos, agora, para mostrar o mecanismo e preservar o entrelaçamento".

Uma das principais vantagens da nova abordagem de silício é que a equipe acredita que será capaz de manter o estado entrelaçado, necessário para preservar informações quânticas, durante vários segundos - muito mais do que as tecnologias concorrentes, que atualmente mensuram a persistência do entrelaçamento por bilionésimos de segundo.

"Para um membro do público geral, isso ainda soa muito pouco para uma memória de computador", disse Morton. "Para informações quânticas, porém, uma vida de um segundo é muito instigante", pois há maneiras de atualizar os dados.

O avanço indica que existe uma convergência iminente entre o mundo subatômico dos computadores quânticos e os atuais sistemas clássicos de micro-elétrons, que estão atingindo um nível de miniaturização onde fios e dispositivos são compostos de apenas dúzias ou centenas de átomos.

"Isso ocorre numa escala de núcleo único, mas não está tão longe do que está sendo usado hoje", disse Stephanie Simmons, pesquisadora de física em Oxford e principal autora do artigo. "Existem duas razões para as pessoas estarem olhando para a computação quântica. Uma é a força, mas a outra é que o tamanho dos transistores de silício está encolhendo ao ponto onde os efeitos quânticos se tornam importantes.

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