Diamante tem qubit natural para construção de computadores quânticos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/06/2007

Aparato óptico utilizado no experimento com os qubits naturais de diamante.
[Imagem: Harvard University]

Na busca pela construção de um computador quântico - um computador cujos bits conseguem guardar vários valores e não apenas 0s e 1s - os cientistas têm explorado técnicas muitas vezes difíceis de se compreender: pontos quânticos, nuvens de átomos, condensado de Bose-Einstein, átomos artificiais etc.

Qubits

A chave para a fabricação dos computadores quânticos está na construção do bloco mais básico de qualquer computação: o bit. No caso da computação quântica, os bits são chamados de qubits. Nos computadores atuais, um bit é na verdade uma carga elétrica, que pode ser negativa (um 0) ou positiva (um 1). Cargas elétricas se formam em um material pela ausência ou pelo acúmulo de elétrons.

Já os qubits não exploram as cargas dos elétrons, mas seu spin - uma propriedade quântica que pode ser entendida comparando-se o elétron a uma bússola. Só que, ao invés de Norte e Sul, o spin pode ser "para baixo" ou "para cima."

Mas aí começam as novidades. Além dos estados clássicos de informação - 0s e 1s - os qubits podem também assumir um número arbitrário de estados intermediários, conhecidos como estados quânticos superpostos. Com cada bit podendo assumir diversos valores, os computadores quânticos poderão fazer uma quantidade de cálculos simultaneamente que é impensável na arquitetura dos computadores atuais.

Só que há também os problemas: vários pesquisadores já conseguiram construir qubits individuais, mas apenas em condições super-especiais de laboratório e geralmente em temperaturas criogênicas. Ou seja, os qubits ainda não são robustos o suficiente para serem transportados para o "mundo real," equipando computadores que possam funcionar em ambientes normais.

Qubit de diamante

Agora, físicos da Universidade de Harvard, Estados Unidos, descobriram que o qubit ideal talvez não precise ser fabricado: ele já está pronto, no interior do diamante.

Segundo o Dr. Mikhail D. Lukin, átomos individuais de carbono-13, localizados no interior da estrutura atômica do diamante, podem ser manipulados com uma precisão extraordinária para se criar memórias quânticas estáveis e até mesmo um pequeno processador quântico. Tudo em estado sólido e, mais importante, funcionando em temperatura ambiente.

Átomos individuais de carbono-13, localizados no interior da estrutura atômica do diamante, podem ser manipulados com precisão para criar memórias quânticas estáveis e até mesmo um pequeno processador quântico.
[Imagem: Harvard University]

O que o cientista chama de processador quântico não é ainda um processador comparável àquele que comanda os nossos computadores pessoais, mas uma parte dele, uma unidade básica conhecida como registrador.

Os registradores dos processadores atuais, por exemplo, podem conter um número entre 0 e 255 e são conhecidos pelos códigos AX, BX, CX etc. Cada operação feita em um computador exige ao menos dois registradores. O Assembly, que é a linguagem de programação de mais baixo nível, mais próxima do código da máquina, aciona diretamente os registradores.

Spin do núcleo atômico

O novo avanço, que abre uma verdadeira avenida para as pesquisas na área da computação quântica, utiliza o spin não do elétron, mas do núcleo atômico. Funcionando como pequenos ímãs, esses spins nucleares têm uma estabilidade excepcional. Mas, na prática, os núcleos interagem de forma extremamente fraca com sua vizinhança.

Esse isolamento é o responsável pela sua estabilidade mas, ao mesmo tempo, significa que é quase impossível ler seu estado, manipulá-lo e controlar as interações entre vários núcleos. Os equipamentos médicos de ressonância magnética atuais baseiam-se nos spins dos núcleos atômicos, mas são necessários bilhões de átomos em conjunto para que seus spins possam ser detectados. E, quando falam em computadores quânticos, os cientistas normalmente pensam no limite, em lidar com apenas um átomo de cada vez, levando o conceito ao extremo de suas possibilidades.

"O problema é, o que faz o spin nuclear tão estável - sua fraca interação com suas cercanias - também nos impede de manipulá-lo diretamente," explica Lukin. "Como você controla algo que não consegue interagir com nada?"

Manipulando spins

A resposta parece simples: não tente manipular o núcleo atômico diretamente, faça-o de forma indireta. Os cientistas descobriram que os spins nucleares associados com átomos individuais de carbono-13 - que representam cerca de 1,1% dos átomos do diamante natural - podem ser manipulados por meio de um único elétron que esteja nas suas proximidades e cujo spin pode ser controlado por meio de radiação óptica e de microondas.

O diamante possui defeitos em sua rede atômica, onde um átomo de nitrogênio substitui um átomo de carbono, desenvolvendo um spin eletrônico em seu estado básico. Utilizando um raio laser, é possível aumentar a energia de um elétron, fazendo-o funcionar como um sonda magnética extremamente sensível e com uma resolução espacial extraordinária. Usando o átomo de nitrogênio como intermediário, um átomo individual de carbono-13 se transforma em um qubit isolado com um tempo de coerência de vários segundos.

Tempo de coerência é o tempo em que o spin do núcleo se mantém estável, ou seja, o tempo em que a informação fica armazenada de forma segura, sem se perder. As memórias dos computadores atuais também têm quer ser reescritas continuamente, sendo esta a razão pela qual os dados se perdem quando o computador é desligado.

Os cientistas também observaram e manipularam o acoplamento entre spins nucleares individuais, demonstrando uma forma de aumentar o número de qubits funcionando em conjunto no registrador quântico. Como o spin do núcleo e o spin do elétron são controlados de forma independente, a experiência lança os fundamentos para a criação de sistemas quânticos grandes e escaláveis, nos quais os registradores quânticos poderão ser conectados por meio de fótons ópticos.

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