Tecnologia Científica

Inovações quânticas obtidas usando átomos alcalinos da terra
A mais recente conquista dos físicos com átomos neutros abre caminho para novos projetos de computadores quânticos
Por Whitney Clavin - 31/08/2020


Esta ilustração representa dois qubits emaranhados, nos quais os qubits são átomos de estrôncio controlados individualmente. As formas vermelhas denotam as chamadas pinças ópticas que seguram um átomo cada. Cada átomo de estrôncio tem dois elétrons externos, característicos dos átomos alcalino-terrosos. Um elétron pertencente ao átomo mostrado à esquerda está em um orbital grande, conhecido como estado Rydberg. Quando esses dois átomos estão emaranhados, qualquer átomo pode ocupar o estado Rydberg; eles estão no que os físicos quânticos chamam de superposição de ambas as possibilidades.

Na busca para desenvolver computadores quânticos, os físicos seguiram vários caminhos diferentes. Por exemplo, o Google relatou recentemente que seu protótipo de computador quântico pode ter feito um cálculo específico mais rápido do que um computador clássico. Esses esforços se basearam em uma estratégia que envolve materiais supercondutores, que são materiais que, quando resfriados a temperaturas ultrafrias, conduzem eletricidade com resistência zero. Outras estratégias de computação quântica envolvem matrizes de átomos carregados ou neutros.

Agora, uma equipe de físicos quânticos da Caltech deu passos largos no trabalho que usa uma classe mais complexa de átomos neutros chamados de átomos alcalino-terrosos, que residem na segunda coluna da tabela periódica. Esses átomos, que incluem magnésio, cálcio e estrôncio, têm dois elétrons em suas regiões externas, ou camadas. Anteriormente, os pesquisadores que fizeram experiências com átomos neutros se concentraram em elementos localizados na primeira coluna da tabela periódica, que têm apenas um elétron em suas camadas externas.

Em um artigo publicado na revista Nature Physics , os pesquisadores demonstram que podem usar átomos alcalino-terrosos controlados individualmente para alcançar uma marca registrada da computação quântica: o emaranhamento. Esse fenômeno aparentemente paradoxal ocorre quando dois átomos permanecem intimamente conectados, mesmo quando separados por grandes distâncias. O emaranhamento é essencial para os computadores quânticos porque permite que as "chaves" internas dos computadores, conhecidas como qubits, sejam correlacionadas entre si e codifiquem uma quantidade exponencial de informações.

"Basicamente, estamos quebrando um recorde de emaranhamento de dois qubit para uma das três principais plataformas da ciência quântica: átomos neutros individuais", disse Manuel Endres , professor assistente de física e líder da equipe Caltech. Endres também é membro de um dos três novos institutos de pesquisa quântica estabelecidos pelo programa Quantum Leap Challenges Institutes da National Science Foundation (NSF) , e membro de um dos cinco novos centros de ciência quântica do Departamento de Energia .

“O objetivo é atingir um nível muito alto de emaranhamento e programabilidade para muitos átomos, a fim de poder realizar cálculos que são intratáveis ​​por um computador clássico”, diz Endres. "Nosso sistema também é adequado para investigar como esse emaranhamento de muitos átomos poderia melhorar a estabilidade dos relógios atômicos."


“Estamos abrindo uma nova caixa de ferramentas para computadores quânticos e outras aplicações”, diz Ivaylo Madjarov, estudante de graduação da Caltech e principal autor do novo estudo. "Com os átomos alcalino-terrosos, temos mais oportunidades para sistemas de manipulação e novas oportunidades para a manipulação precisa e leitura do sistema."

Para atingir seu objetivo, os pesquisadores recorreram a pinças ópticas, que são basicamente feixes de laser capazes de manobrar átomos individuais. A equipe usou anteriormente a mesma tecnologia para desenvolver um novo design para relógios atômicos ópticos . No novo estudo, as pinças foram usadas para persuadir dois átomos de estrôncio dentro de um conjunto de átomos a se enredar.

"Tínhamos demonstrado anteriormente o primeiro controle de átomos alcalino-terrosos individuais. No presente trabalho, adicionamos um mecanismo para gerar emaranhamento entre os átomos, com base em estados de Rydberg altamente excitados, nos quais átomos separados por muitos mícrons sentem grandes forças de uns aos outros ", diz Jacob Covey, um estudioso de pós-doutorado na Caltech. "As propriedades únicas dos átomos alcalino-terrosos oferecem novas maneiras de melhorar e caracterizar o mecanismo de interação de Rydberg."

Além disso, os pesquisadores foram capazes de criar o estado emaranhado com um grau de precisão maior do que o obtido anteriormente com o uso de átomos neutros, e com uma precisão equivalente a outras plataformas de computação quântica.

No futuro, os pesquisadores esperam expandir sua capacidade de controlar qubits individuais e planejam investigar métodos para emaranhar três ou mais átomos.

“O objetivo é atingir um nível muito alto de emaranhamento e programabilidade para muitos átomos, a fim de poder realizar cálculos que são intratáveis ​​por um computador clássico”, diz Endres. "Nosso sistema também é adequado para investigar como esse emaranhamento de muitos átomos poderia melhorar a estabilidade dos relógios atômicos."

O estudo, publicado na edição de agosto da Nature Physics e intitulado " Emaranhamento de alta fidelidade e detecção de átomos de Rydberg alcalino-terrosos ", foi financiado pela NSF, Sloan Foundation, F. Blum, Caltech, Gordon and Betty Moore Foundation, e a Larson SURF Fellowship. Outros autores incluem, na Caltech: o estudante de graduação Adam L. Shaw; Joonhee Choi, IQIM Postdoctoral Scholar in Physics; Anant Kale, assistente de laboratório; Alexandre Cooper, ex-bolsista de pós-doutorado em física; e Hannes Pichler, ex-Moore Postdoctoral Scholar in Theoretical Physics; e Vladimir Schkolnik e Jason R. Williams, do Jet Propulsion Laboratory (JPL), administrado pela Caltech para a NASA.

 

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