Qubits de estado sólido funcionam melhor na sujeira que na limpeza

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/01/2024

Dentro de um sistema denso, alguns íons de térbio formam pares. Devido às suas propriedades únicas, estes pares são cegos aos íons próximos, que os faria perder a sua informação quântica.
[Imagem: Ella Maru Studios]

Qubits sujos

Assim como as baterias podem funcionar indefinidamente tirando energia da própria sujeira, físicos acabam de desmascarar a sabedoria anterior de que qubits de estado sólido precisam de uma limpeza quase inatingível para alcançar vidas longas.

Em vez disso, eles colocaram íons de terras raras em um cristal comum - e não em um cristal puro e ultralimpo - e demonstraram que alguns desses íons formam pares que funcionam como qubits altamente coerentes, ou seja, capazes de reter a informação por períodos muito superiores ao dos qubits "limpinhos" usados hoje nos computadores quânticos.

Os qubits perdem suas informações por meio de um processo conhecido como decoerência, quando começam a interagir com seu ambiente. Então, diz a sabedoria convencional, mantenha-os afastados uns dos outros e de outras influências perturbadoras e esperemos que sobrevivam um pouco mais.

Acontece que isto não é algo fácil de se fazer porque é difícil encontrar ou produzir materiais ultrapuros, um problema que aumenta conforme se deseja juntar mais qubits para aumentar a potência dos computadores.

"Em vez de diluir cada vez mais, demonstramos um novo caminho pelo qual podemos aproximar os qubits," disse Gabriel Aeppli, do Instituto Paul Scherer, na Suíça.

Os pares de qubits apresentaram tempos de vida até 100 vezes mais longas do que qubits de íons individuais no mesmo material.

Tirando gemas do lixo

Os pesquisadores criaram qubits de estado sólido a partir do metal de terras raras térbio, dopado em cristais de fluoreto de ítrio e lítio, e os colocaram dentro de um cristal repleto de outros íons de terras raras. Ao contrário do que se esperaria, eles funcionaram como qubits com tempos de decoerência muito maiores.

"Para uma determinada densidade de qubits, mostramos que é uma estratégia muito mais eficaz incluir os íons de terras raras e coletar gemas do lixo, em vez de tentar separar os íons individuais uns dos outros por diluição," explicou Markus Muller, membro da equipe.

Assim como os bits clássicos, que utilizam 0 ou 1 para armazenar e processar informações, os qubits também utilizam sistemas que podem existir em dois estados, embora com possibilidade de superposições. Quando qubits são criados a partir de íons de terras raras, normalmente uma propriedade dos íons individuais - como o spin nuclear, que pode apontar para cima ou para baixo - é usada como esse sistema de dois estados.

Trabalhando ao pares

A razão para o sucesso desta abordagem "suja", radicalmente diferente do que se tem feito até agora, é que, em vez de serem formados a partir de íons únicos, seus qubits são formados a partir de pares de íons que interagem fortemente. Em vez de usar o spin nuclear de íons únicos, os pares formam qubits baseados em superposições de diferentes estados da camada eletrônica.

Dentro da matriz do cristal, apenas alguns íons de térbio formam pares. "Se você jogar muito térbio no cristal, por acaso haverá pares de íons - nossos qubits. Eles são relativamente raros, então os próprios qubits são bastante diluídos," explicou o pesquisador Adrian Beckert.

Além disso, essas "gemas", por suas propriedades físicas, são protegidas do "lixo" porque operam com uma energia característica diferente, de modo que eles não podem trocar energia com os íons de térbio individuais - em essência, eles são cegos para eles.

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