Uma vasta gama de sensores, sistemas de comunicação e computadores incrivelmente poderosos estão todos tentadoramente perto de se tornar realidade à medida que a revolução da computação quântica se aproxima.
Em todo o mundo, computadores quânticos funcionais como a máquina Sycamore do Google já estão em uso. Semelhante a como os bits são os componentes fundamentais da computação convencional, “bits quânticos” ou “qubits” são os componentes principais de tais tecnologias.
Uma nova abordagem para a criação de minúsculos pontos emissores de luz, conhecidos como centros de cor, foi agora desenvolvida por pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab); Eles são causados pela torção de uma substância conhecida, o que resulta em defeitos nos cristais. Por sua vez, esses centros de cores que podem ser controlados podem ser usados para criar qubits de uma nova maneira.
No entanto, a principal questão é: por que exigimos uma nova abordagem para a produção desses bits quânticos se já existem computadores quânticos e fazem uso de qubits? Acontece que os fenômenos que alimentam os qubits e, como resultado, os computadores quânticos também são as maiores falhas da tecnologia.
Os qubits fazem uso dos fenômenos surpreendentes e frequentemente preocupantes do mundo quântico para funcionar, o que contribui para o aumento do poder computacional dos computadores quânticos.
Os qubits, por outro lado, são capazes de assumir simultaneamente vários valores contraditórios graças ao fenômeno quântico de superposição, no qual vários estados de um sistema se sobrepõem. Os bits, por exemplo, podem assumir dois valores — 0 ou 1, o que equivale a estar “ligado” ou “desligado”.
Portanto, um único qubit pode estar no estado “ligado” e “desligado” ou apenas no estado “ligado”; Como uma rede quântica é composta de muitos qubits, o número de estados possíveis aumenta. Isso indica que um grande número de qubits pode existir em um grande número de estados.
O outro grande fenômeno quântico que possibilita que os qubits em um computador quântico troquem informações uns com os outros é o emaranhamento. Esta é a ideia de que as partículas podem ser ligadas de uma forma que torna impossível descrevê-las separadamente. Não importa a distância entre as duas partículas, mesmo que estejam em lados opostos do universo, qualquer medição que altere uma partícula imediatamente altera seu parceiro emaranhado. Albert Einstein referiu-se ao emaranhamento como “ação assustadora à distância” porque isso o incomodava muito.
Como esses elementos quânticos são usados, adicionar qubits a um computador quântico aumenta exponencialmente o poder de computação, enquanto adicionar bits a um computador convencional aumenta o poder de computação linearmente. Isso significa que um computador quântico com n qubits pode ter uma superposição de 2n estados, matematicamente falando.
Os computadores quânticos são mais poderosos do que os computadores clássicos e podem resolver problemas exponencialmente mais rápido graças ao emaranhamento de qubits e ao armazenamento de informações de superposição. No entanto, há um porém. muito disso. Emaranhamento e superposição são dois exemplos de estados quânticos extremamente frágeis e simples de destruir. Além disso, este é um revés significativo para a confiabilidade dos computadores quânticos.
Quando os sistemas quânticos são medidos em laboratório, os estados emaranhados e a superposição são destruídos. A questão é que essa “medição” é realmente apenas interferência, que pode vir de vários lugares ao redor de um sistema quântico.
Uma interação com uma partícula, um campo magnético ou mesmo algo tão simples como uma mudança de temperatura também pode resultar no colapso de uma superposição ou na perda do emaranhamento.
Por causa disso, os computadores quânticos não podem ser protegidos do “ruído” do mundo exterior, a menos que sejam executados em condições extremamente controladas, como temperaturas extremamente baixas. Os computadores quânticos ainda não são capazes de produzir com precisão longas cadeias de cálculos, mesmo quando esses estados são frágeis.
Na esperança de desenvolver um sistema mais protegido contra “ruído”, equipes como a de Berkeley Lab estão desenvolvendo novos métodos para a produção de qubits.
A Popular Mechanics cita o pesquisador do Berkeley Lab, Cong Su, que está envolvido no novo trabalho sobre qubits, dizendo: “Qubits podem ser realizados de muitas maneiras diferentes”. Utilizar centros de cores, que são essencialmente emissões de defeitos, em semicondutores é um método.
A equipe, liderada pelo cientista da equipe do Berkeley Lab, Shaul Aloni, usou um material cristalino “torcido” em estado sólido para criar esses centros de cores. A revista Nature Materials publicou seu trabalho no verão passado.
Em nosso experimento, usamos nitreto de boro hexagonal, que tem uma rede de favo de mel de átomos de boro e nitrogênio. Devido à grande semelhança dessa estrutura com o grafeno, o nitreto de boro hexagonal também é chamado de “grafeno branco”, como explica Su. Criamos centros de cores neste material utilizando as emissões dos defeitos, que são intrinsecamente incorporados ou criados intencionalmente pelo bombardeio de partículas dentro do nitreto de boro hexagonal.
Os sensores de cor podem ser combinados com dispositivos que controlam a luz para conectar os componentes do processador quântico porque são defeitos microscópicos em materiais cristalinos como o diamante, que emitem uma cor específica de luz quando atingidos por um laser ou outra fonte de energia como um feixe de elétrons.
Os centros de cores hexagonais de nitreto de boro são realmente mais brilhantes do que os centros de cores de diamante, mas os cientistas não conseguiram usar esse material, que é um aditivo de tinta comum, porque é difícil produzir os defeitos em locais específicos.
“Tradicionalmente, implantações de íons são usadas para criar centros de cores. No entanto, devido à falta de controle espacial, isso resulta em centros de cores que aparecem em locais aleatórios”, explica Su. Estamos tentando limitar a localização desses centros de cores utilizando o interface entre feixes de elétrons e nitreto de boro hexagonal.
A falta de um método confiável para ativar e desativar os centros de cores neste material sintetizado representa outro obstáculo para esta pesquisa. A solução encontrada pelo grupo foi empilhar e girar camadas hexagonais de nitreto de boro como se fosse um sanduíche, com a camada superior do pão girando em relação à camada inferior. A ativação e o aprimoramento das emissões ultravioleta (UV) dos centros de cores resultaram disso.
De acordo com Su, “ficamos muito surpresos ao ver que uma simples torção de camadas pode aumentar o brilho dos centros de cores em quase duas ordens de magnitude”.
A equipe espera que a pesquisa leve ao desenvolvimento de um dispositivo de centro de cores que os engenheiros possam usar para construir um sistema quântico ou modificá-lo para uso em sistemas já existentes. No entanto, para reduzir os erros que ocorrem durante a computação quântica, será necessário um trabalho adicional para melhorar a fidelidade dos centros de cores.
Su afirma: “Criar um dispositivo quântico baseado em sistemas de centros de cores ainda requer muito trabalho”. Por exemplo, para enredar e se comunicar com outros qubits, é necessário um guia de onda para conectá-los.
“Também queremos encontrar outras maneiras de controlá-los e queremos descobrir e criar intencionalmente mais centros de cores com melhores propriedades.”
