Bit quântico é descoberto em um lugar onde não há nada

Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/06/2021

Cargas positivas, ou lacunas, são ausências de elétrons - mas os qubits funcionam e funcionam bem.
[Imagem: Daniel Jirovec et al. - 10.1038/s41563-021-01022-2]

Qubit de lacuna

Na busca por tornarem os computadores quânticos uma realidade, os pesquisadores estão testando os mais diversos tipos de qubits, dos fótons, elétrons, átomos e moléculas até defeitos no diamante e materiais supercondutores sólidos.

Uma equipe da Áustria e de Itália está apresentando agora um novo candidato a bit quântico que , embora pareça um pouco mais difícil de compreender, está-se mostrando mais eficaz do que seus equivalentes mais intuitivos.

Daniel Jirovec e seus colegas estão propondo usar um portador de carga positiva, conhecido como lacuna, para guardar dados quânticos.

Você deve estar bem familiarizado com o portador de carga negativa, o elétron, geralmente entendido como uma partícula ou como uma onda - uma nuvem de probabilidades expressa por uma função de onda - circundando os núcleos dos átomos.

A carga positiva, porém, é muito menos intuitiva, e é expressa como uma "ausência de elétron" - daí o termo lacuna.

Não pense que mesmo os físicos estejam totalmente satisfeitos com a compreensão atual das cargas positivas, mas o fato é que as lacunas - para todos os efeitos práticos - podem até mesmo se mover em materiais sólidos, à medida que um elétron vizinho preenche o buraco; assim, efetivamente, a lacuna, descrita como uma partícula carregada positivamente, está se movendo para a frente.

Juntando qubits semicondutores e qubits supercondutores

O que os pesquisadores demonstraram agora é que as lacunas também apresentam a propriedade quântica do magnetismo, o chamado spin, o que permite que elas interajam entre si se estiverem próximas o suficiente.

Esquema do dispositivo onde foram demonstrados os qubits de carga positiva.
[Imagem: Daniel Jirovec]

"Nossos colegas empilharam várias misturas diferentes de silício e germânio, com apenas alguns nanômetros de espessura, umas sobre as outras. Isso nos permite confinar as lacunas à camada do meio, rica em germânio," explica Jirovec. "No topo, adicionamos minúsculos fios elétricos - as chamadas portas - para controlar o movimento das lacunas aplicando tensão a elas. As lacunas, com cargas elétricas positivas, reagem à voltagem e podem ser movidas com extrema precisão dentro de sua camada."

Usando este controle em escala nano, a equipe conseguiu colocar duas lacunas próximas uma da outra o suficiente para criar um qubit a partir da interação de seus spins usando um campo magnético de cerca de 10 militeslas. Este é um campo magnético muito fraco em comparação com outras configurações de qubit semelhantes, que exigem campos pelo menos dez vezes mais fortes.

"Usando nossa configuração de germânio em camadas, podemos reduzir a força do campo magnético necessária e, portanto, permitir a combinação de nosso qubit com [qubits] supercondutores, geralmente inibidos por fortes campos magnéticos," disse Jirovec.

Isso pode permitir construir novos tipos de computadores quânticos, combinando semicondutores e supercondutores, com estes últimos já tendo demonstrado a capacidade de operar em matrizes, conectando vários qubits à distância.

Além disso, esses qubits de spin de lacuna parecem promissores por causa de sua velocidade de processamento - até cem milhões de operações por segundo - e de sua longa vida útil - até 150 microssegundos. Normalmente, há uma compensação entre essas duas propriedades, mas uma mistura de qubits semicondutores com qubits supercondutores permitira a exploração simultânea das duas vantagens.

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