Tecnologia Científica

Luz usada para detectar informações quânticas armazenadas em 100.000 bits quânticos nucleares
Os pesquisadores descobriram uma maneira de usar a luz e um único elétron para se comunicar com uma nuvem de bits quânticos e sentir seu comportamento, tornando possível detectar um único bit quântico em uma nuvem densa.
Por Sarah Collins - 16/02/2021


Partículas quânticas - Crédito: Gerd Altmann da Pixabay

Não temos uma maneira de 'falar' com a nuvem e a nuvem não tem uma maneira de falar conosco. Mas podemos falar com um elétron: podemos nos comunicar com ele como um cachorro que cria ovelhas

Mete Atatüre

Os pesquisadores, da Universidade de Cambridge, foram capazes de injetar uma 'agulha' de informação quântica altamente frágil em um 'palheiro' de 100.000 núcleos. Usando lasers para controlar um elétron, os pesquisadores poderiam então usar esse elétron para controlar o comportamento do palheiro, tornando mais fácil encontrar a agulha. Eles foram capazes de detectar a 'agulha' com uma precisão de 1,9 partes por milhão: alta o suficiente para detectar um único bit quântico neste grande conjunto.

A técnica permite enviar opticamente informações quânticas altamente frágeis a um sistema nuclear para armazenamento e verificar sua impressão com o mínimo de perturbação, um passo importante no desenvolvimento de uma internet quântica baseada em fontes de luz quântica. Os resultados são publicados na revista Nature Physics .

Os primeiros computadores quânticos - que irão aproveitar o estranho comportamento das partículas subatômicas para superar até mesmo os supercomputadores mais poderosos - estão no horizonte. No entanto, para aproveitar todo o seu potencial, será necessária uma forma de conectá-los em rede: uma internet quântica. Canais de luz que transmitem informações quânticas são candidatos promissores para uma internet quântica, e atualmente não há melhor fonte de luz quântica do que o ponto quântico semicondutor: minúsculos cristais que são átomos essencialmente artificiais.

No entanto, uma coisa atrapalha os pontos quânticos e a internet quântica: a capacidade de armazenar informações quânticas temporariamente em postos de teste ao longo da rede.

“A solução para este problema é armazenar as informações quânticas frágeis, escondendo-as na nuvem de 100.000 núcleos atômicos que cada ponto quântico contém, como uma agulha em um palheiro”, disse o professor Mete Atatüre do Laboratório 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 quânticos contida em um ponto quântico normalmente não age em um estado coletivo, tornando um desafio obter informações para dentro ou para fora deles. No entanto, Atatüre e seus colegas mostraram em 2019 que, quando resfriados a temperaturas ultrabaixas também usando luz, esses núcleos podem ser feitos para fazer 'danças quânticas' em uníssono, reduzindo significativamente a quantidade de ruído no sistema.

Agora, eles mostraram mais um passo fundamental para armazenar e recuperar informações quânticas nos núcleos. Ao controlar o estado coletivo dos 100.000 núcleos, eles foram capazes de detectar a existência da informação quântica como um 'bit quântico invertido' com uma precisão ultra-alta de 1,9 partes por milhão: o suficiente para ver um único bit virar na nuvem de núcleos.

“Tecnicamente, isso é extremamente exigente”, disse Atatüre, que também é bolsista do St John's College. “Não temos uma maneira de 'falar' com a nuvem e a nuvem não tem uma maneira de falar conosco. Mas podemos falar com um elétron: 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 elétron, que então se comunica com os spins, ou momento angular inerente, dos núcleos.

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

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

Em outras palavras, a injeção de uma onda de spin composta de um único spin de spin nuclear no conjunto torna mais fácil detectar um único spin de spin nuclear entre 100.000 spins nucleares.

Usando essa técnica, os pesquisadores são capazes de enviar informações ao bit quântico e 'ouvir' o que os spins estão dizendo com o mínimo de perturbação, até o limite fundamental estabelecido pela mecânica quântica.

"Tendo aproveitado esse controle e capacidade de detecção sobre este grande conjunto de núcleos, nosso próximo passo será demonstrar o armazenamento e recuperação de um bit quântico arbitrário do registro de spin nuclear", disse o co-primeiro autor Daniel Jackson, estudante de PhD em o Laboratório Cavendish.

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

Além de seu uso potencial para uma futura internet quântica, a técnica também pode ser útil no desenvolvimento de computação quântica de estado sólido.

A pesquisa foi apoiada em parte pelo European Research Council (ERC), o Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) e a Royal Society.

 

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