Descoberta de interação ultrarrápida impulsiona informação quântica

Com informações da Agência Fapesp - 09/09/2019

A energização dos elétrons por luz torna os processadores um milhão de vezes mais rápidos.
[Imagem: Stephen Alvey/Michigan Engineering]

Coerência e decoerência

Coloque energia em um bit e você guarda um dado; coloque energia em um elétron ou em um fóton e você tem um qubit, um bit quântico. Assim, energia é informação.

Por decorrência, aumentar o intervalo de tempo no qual um sistema é capaz de reter a energia que recebeu, antes de perdê-la para o meio circundante, constitui um objetivo fundamental para o desenvolvimento da informação quântica.

Esse intervalo é chamado "tempo de coerência", e várias equipes ao redor do mundo estão dedicadas a retardar o processo de decoerência.

Um grupo de físicos do Brasil, EUA e Coreia do Sul, acaba de apresentar um trabalho importante nessa área, no qual eles avançaram a compreensão do processo de energização e desenergização estudando-o na escala de tempos dos femtossegundos - um femtossegundo equivale a 10^-15 segundo.

"Observamos que, quando o material é excitado [pela luz], a luz que ele emite muda de cor em tempo inferior a 200 femtossegundos. Isso se deve à interação do éxciton [o elétron excitado] com o fônon [a excitação da rede cristalina]. O elétron excitado transfere parte da energia que recebeu para a rede. Isso provoca mudança de frequência e, portanto, mudança de cor da emissão," explicou o professor Lázaro Aurélio Padilha, da Unicamp.

Esta foi a primeira vez que se observou tal tipo de fenômeno. "Não havia sido observado antes porque o deslocamento de energia do elétron para a rede é muito pequeno, de 26 mili-elétron-volts (26 x 10^-3 eV), e o tempo do processo é extremamente curto, menor do que 200 femtossegundos (200 x 10^-15 s). Já haviam sido observados fenômenos similares, porém, ocorrendo em escalas de tempo muito maiores e devido a outros processos. Acessamos relações físicas até então desconhecidas," acrescentou Padilha.

Teoria importante para a computação quântica

O processo físico até então desconhecido, citado pelo pesquisador, consiste na interação ultrarrápida éxciton-fônon. Vale lembrar que, na física da matéria condensada, o fônon é uma quase-partícula associada a um quantum de vibração que se propaga pela rede cristalina - o éxciton está na base da condução do calor e do som, por exemplo.

Embora não haja uma aplicação tecnológica imediata para os resultados obtidos, o conhecimento das interações físicas que ocorrem na escala de tempo de femtossegundos pode abrir caminho para que, em um futuro não muito distante, se torne possível controlar a estrutura de materiais de modo que os elétrons retenham por mais tempo a energia dos impulsos elétricos ou luminosos que os excitam. E, desse modo, retardar o processo de "decoerência" de sistemas quânticos, fazendo os qubits mais resilientes e menos sujeitos a ruídos, um dos grandes desafios atuais da computação quântica.

"Aumentar o tempo de coerência é uma questão-chave para o sucesso de dispositivos como o chaveador óptico ou o emissor de fóton único. O que se busca, na verdade, é reduzir ao mínimo o desperdício de energia. Quando o material muda de cor, isso significa que ele está perdendo energia. Descobrimos que essa perda é extremamente rápida. E é isso que queremos retardar," resumiu Diogo Burigo Almeida, um dos desenvolvedores do aparato experimental que permitiu realizar esta análise.

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