Os pesquisadores, da Universidade de Cambridge, foram capazes de injetar uma 'agulha' de informação qua¢ntica altamente fra¡gil em um 'palheiro' de 100.000 núcleos. Usando lasers para controlar um elanãtron, os pesquisadores poderiam então usar esse elanãtron para controlar o comportamento do palheiro, tornando mais fa¡cil encontrar a agulha. Eles foram capazes de detectar a 'agulha' com uma precisão de 1,9 partes por milha£o: alta o suficiente para detectar um aºnico bit qua¢ntico neste grande conjunto.

A técnica permite enviar opticamente informações qua¢nticas altamente fra¡geis a um sistema nuclear para armazenamento e verificar sua impressão com o ma­nimo de perturbação, um passo importante no desenvolvimento de uma internet qua¢ntica baseada em fontes de luz qua¢ntica. Os resultados são publicados na revista Nature Physics .

Os primeiros computadores qua¢nticos - que ira£o aproveitar o estranho comportamento daspartículas subatômicas para superar atémesmo os supercomputadores mais poderosos - estãono horizonte. No entanto, para aproveitar todo o seu potencial, seránecessa¡ria uma forma de conecta¡-los em rede: uma internet qua¢ntica. Canais de luz que transmitem informações qua¢nticas são candidatos promissores para uma internet qua¢ntica, e atualmente não hámelhor fonte de luz qua¢ntica do que o ponto qua¢ntico semicondutor: minaºsculos cristais que são a¡tomos essencialmente artificiais.

No entanto, uma coisa atrapalha os pontos qua¢nticos e a internet qua¢ntica: a capacidade de armazenar informações qua¢nticas temporariamente em postos de teste ao longo da rede.

“A solução para este problema éarmazenar as informações qua¢nticas fra¡geis, escondendo-as na nuvem de 100.000 núcleos ata´micos que cada ponto qua¢ntico contanãm, como uma agulha em um palheiro”, disse o professor Mete Atata¼re do Laborata³rio Cavendish de Cambridge, que liderou a pesquisa . “Mas se tentarmos nos comunicar com esses núcleos como nos comunicamos com bits, eles tendem a 'virar' aleatoriamente, criando um sistema barulhento.”

A nuvem de bits qua¢nticos contida em um ponto qua¢ntico normalmente não age em um estado coletivo, tornando um desafio obter informações para dentro ou para fora deles. No entanto, Atata¼re e seus colegas mostraram em 2019 que, quando resfriados a temperaturas ultrabaixas também usando luz, esses núcleos podem ser feitos para fazer 'danças qua¢nticas' em una­ssono, reduzindo significativamente a quantidade de rua­do no sistema.

Agora, eles mostraram mais um passo fundamental para armazenar e recuperar informações qua¢nticas nos núcleos. Ao controlar o estado coletivo dos 100.000 núcleos, eles foram capazes de detectar a existaªncia da informação qua¢ntica como um 'bit qua¢ntico invertido' com uma precisão ultra-alta de 1,9 partes por milha£o: o suficiente para ver um aºnico bit virar na nuvem de núcleos.

“Tecnicamente, isso éextremamente exigente”, disse Atata¼re, que também ébolsista do St John's College. “Nãotemos uma maneira de 'falar' com a nuvem e a nuvem não tem uma maneira de falar conosco. Mas podemos falar com um elanãtron: podemos nos comunicar com ele como um cachorro que cria ovelhas. ”

Usando a luz de um laser, os pesquisadores são capazes de se comunicar com um elanãtron, que então se comunica com os spins, ou momento angular inerente, dos núcleos.

Ao falar com o elanãtron, o conjunto caa³tico de spins comea§a a esfriar e se formar em torno do elanãtron pastor; fora desse estado mais ordenado, o elanãtron pode criar ondas de spin nos núcleos.

“Se imaginarmos nossa nuvem de giros como um rebanho de 100.000 ovelhas movendo-se aleatoriamente, édifa­cil ver uma ovelha mudando de direção repentinamente”, disse Atata¼re. “Mas se todo o rebanho estãose movendo como uma onda bem definida, então uma única ovelha mudando de direção torna-se altamente percepta­vel.”

Em outras palavras, a injeção de uma onda de spin composta de um aºnico spin de spin nuclear no conjunto torna mais fa¡cil detectar um aºnico spin de spin nuclear entre 100.000 spins nucleares.

Usando essa técnica, os pesquisadores são capazes de enviar informações ao bit qua¢ntico e 'ouvir' o que os spins estãodizendo com o ma­nimo de perturbação, atéo limite fundamental estabelecido pela meca¢nica qua¢ntica.

"Tendo aproveitado esse controle e capacidade de detecção sobre este grande conjunto de núcleos, nosso pra³ximo passo serádemonstrar o armazenamento e recuperação de um bit qua¢ntico arbitra¡rio do registro de spin nuclear", disse o co-primeiro autor Daniel Jackson, estudante de PhD em o Laborata³rio Cavendish.

“Esta etapa ira¡ completar uma memória qua¢ntica conectada a  luz - um importante bloco de construção no caminho para a realização da internet qua¢ntica”, disse o co-primeiro autor Dorian Gangloff, pesquisador do St John's College.

Além de seu uso potencial para uma futura internet qua¢ntica, a técnica também pode ser útil no desenvolvimento de computação qua¢ntica de estado sãolido.