Ser capaz de manipular precisamente spins interativos em sistemas quânticos é de fundamental importância para o desenvolvimento de computadores quânticos confiáveis e de alto desempenho. Isso provou ser particularmente desafiador para sistemas em nanoescala com muitos spins que são baseados em pontos quânticos (ou seja, pequenos dispositivos semicondutores).

Pesquisadores da Delft University of Technology (TU Delft) demonstraram recentemente o controle universal de um sistema baseado em pontos quânticos com quatro qubits singlet-triplet. Seu artigo, publicado na Nature Nanotechnology , pode abrir novas possibilidades para o upscaling bem-sucedido de sistemas de processamento de informações quânticas.

"Inicialmente, estávamos tentando ajustar e calibrar a interação de troca entre todos os spins vizinhos em uma matriz de pontos quânticos 4x2, carregada com um spin por ponto", disse Lieven Vandersypen, autor sênior do artigo.

Antes deste estudo, físicos e engenheiros quânticos tinham sido capazes de atingir o controle universal de sistemas com até dois qubits singlet-triplet interagindo. Vandersypen e seus colegas foram, portanto, os primeiros a atingir o controle sobre um sistema maior baseado em pontos quânticos com quatro qubits singlet-triplet.

"Cada qubit em nosso sistema consiste em dois spins e operações de qubit único podem ser controladas por pulsos de voltagem de banda base", explicou Vandersypen. "Eles alternam a interação de troca spin-spin entre dois valores diferentes, correspondendo a dois eixos de rotação de qubit diferentes. Para portas de dois qubits, ativamos o acoplamento de troca entre spins pertencentes a qubits diferentes, também usando pulsos de voltagem de porta."

A equipe subsequentemente realizou o controle universal de cada qubit em seu sistema pulsando as barreiras de desafinação e tunelamento do ponto quântico duplo correspondente. Ao controlar simultaneamente essas duas barreiras de qubits vizinhos, eles finalmente atingiram um portão quântico que troca informações entre qubits em um par (ou seja, portão estilo SWAP de dois qubits).

"Ao operar este dispositivo, todos os oito spins participam da evolução temporal coerente quântica, que é a maior até agora em matrizes de pontos quânticos semicondutores", acrescentou Vandersypen. "Nossas descobertas também destacam o potencial do qubit singlet-triplet. Embora as operações de qubit único já sejam bastante confiáveis, com uma fidelidade acima de 99%, um próximo passo crucial seria mostrar que o gate de dois qubits também pode ser executado com uma fidelidade acima de 99%."

Este trabalho recente de Vandersypen e seus colegas introduz uma abordagem promissora para atingir o controle universal de sistemas baseados em pontos quânticos de germânio com quatro qubits singlet-triplet. No futuro, este método pode ser melhorado ainda mais para manipular precisamente sistemas quânticos em nanoescala ainda maiores.

A manipulação precisa desses sistemas poderia permitir que os físicos simulassem de forma confiável fenômenos físicos complexos, incluindo magnetismo quântico. Além disso, poderia informar o desenvolvimento de sistemas de informação quântica mais avançados.