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Diamante promissor para internet quântica

Cristais de diamante poderão ser usados para conectar redes quânticas distantes

Hanson lab @ TUDelft
Uma mesa com três metros de comprimento separa dois criostatos com qubits emaranhados de diamante.
Por Richard Van Noorden e revista Nature

 A internet atual funciona com chips de silício, mas uma futura versão quântica pode ser construída a partir de cristais de diamante. Físicos relataram em 24 de abril, na Nature, que emaranharam informações mantidas em pedaços de diamante a três metros de distância, de modo que medir o estado de um bit quântico (qubit), instantananeamente determina o estado do outro – um passo necessário para trocar informações quânticas a grandes distâncias.

 O emaranhamento, que Albert Einstein chamou de ‘ação fantasmagórica à distância’, é um dos estranhos fenômenos que tornam dispositivos quânticos promissores. Uma internet quântica usaria fótons emaranhados viajando por cabos de fibra ótica para emaranhar qubits, visando um dia fornecer comunicações super seguras, ou levar softwares e dados para futuros computadores quânticos. 

Os qubits em si são análogos aos bits usados em computadores convencionais, mas podem existir em uma superposição de estados, sendo tanto ‘0’ quanto ‘1’ ao mesmo tempo (outro aspecto da estranheza quântica). Qubits conectados poderiam, em teoria, realizar cálculos que, em um computador clássico, demorariam mais que a idade do Universo. Emaranhá-los à distância pode permitir uma comunicação inviolável: se o remetente e o destinatário de uma mensagem tiverem, por exemplo, dois conjuntos de qubits que juntos fornecem uma chave de encriptação. 

O feito técnico de emaranhar qubits à distância já foi conseguido em outros sistemas, incluindo íons e átomos presos. Apesar de o diamante ainda estar tentando alcançá-los, o progresso rápido o elevou à principal lista de candidatos a redes quânticas. “Conectar muitos qubits em chips de diamante pode ser muito mais fácil que escalonar outros sistemas”, declara Ronald Hanson, nanocientista da Universidade de Tecnologia Delft, na Holanda, líder da equipe que publicou os resultados na Nature

Diamantes imperfeitos

Qubits em diamantes dependem de imperfeições no arranjo de carbono do material. Quando átomos de nitrogênio substituem átomos de carbono, e aparecem perto de intervalos, ou “vazios”, na estrutura, um qubit pode ser criado com base no estado de spin de elétrons mantidos no intervalo. Sua fluorescência dá uma tênue coloração rósea ao cristal.

Para emaranhar qubits em pedaços separados de diamante, a equipe usa lasers para emaranhar cada qubit com um fóton a temperaturas de 10 Kelvin. Os fótons se encontram no meio do caminho do cabo de fibra ótica, onde são emaranhados.

Uma versão levemente diferente desse processo foi aplicada pela primeira vez para emaranhar íons de itérbio em 2007, e átomos neutros de rubídio em 2012.

“Essa é uma linda demonstração técnica”, declara David Awschalon, físico quântico da University of Chicago em Illinois, que já trabalhou com qubits em diamantes mas não se envolveu nesse estudo.

O processo ainda não é muito eficiente, alerta Lilian Childress, física da McGill University em Montreal, no Canadá, e coautora do estudo mais recente. Os pesquisadores alcançam o emaranhamento uma vez a cada 10 milhões de tentativas, ou cerca de uma vez a cada dez minutos. Mas isso está de acordo com os primeiros experimentos com átomos e íons presos, adiciona ela.

Um importante objetivo da técnica é fornecer uma base para os chamados ‘repetidores quânticos’, que tornariam possíveis comunicações quânticas de longa distância. O emaranhamento baseado em fótons desaparece após algumas centenas de quilômetros, porque cabos de fibra ótica absorvem a luz, e aumentar o sinal destrói o emaranhamento. Mas emaranhar cadeias de repetidores quânticos poderiam conectar qubits em distâncias maiores.

Hanson explica que apesar de sistemas de íons e átomos serem mais avançados que diamantes em termos de ligar qubits próximos para a computação quântica, com um recorde de 14 qubits emaranhados, o diamante tem vantagens distintas para ligar processadores remotos em redes. Ao contrário de íons presos em alto vácuo, qubits em diamantes podem ser mantidos a temperatura ambiente, porque o arranjo de carbono os protege muito bem de campos magnéticos ou vibrações que poderiam atrapalhar sua superposição.

No ano passado, pesquisadores mostraram que qubits de diamante, que duram dezenas de milisegundos, podem até ser transferidos para os núcleos de átomos próximos de carbono ou nitrogênio, criando um arranjo de qubits ‘memória’ que podem existir por segundos – uma eternidade em termos de computação quântica. Além disso, de acordo com Hanson, criar conjuntos de chips sólidos de diamante parece ser mais acessível que criar centenas de armadilhas de íons.

Nesse estágio, com processadores quânticos a décadas de distância, ninguém está pronto para apostar em qual sistema prevalecerá. “Não podemos escolher um vencedor agora”, lembra Joshua Nunn, físico da University of Oxford, no Reino Unido.

Este artigo foi reproduzido com permissão da revista Nature. O artigo foi publicado pela primeira vez em 24 de abril de 2013.

29abr2013