Engenheiros da Caltech desenvolveram uma abordagem para armazenamento qua¢ntico que pode ajudar a abrir caminho para o desenvolvimento de redes qua¢nticas a³pticas em larga escala.

O novo sistema depende de spins nucleares - o momento angular do núcleo de um a¡tomo - oscilando coletivamente como uma onda de spin. Essa oscilação coletiva efetivamente encadeia vários a¡tomos para armazenar informações.

O trabalho, descrito em um artigo publicado em 16 de fevereiro na revista Nature , utiliza um bit qua¢ntico (ou qubit) feito de um a­on de itanãrbio (Yb), um elemento de terras raras também usado em lasers. A equipe, liderada por Andrei Faraon, professor de física aplicada e engenharia elanãtrica, incorporou o a­on em um cristal transparente de ortovanadato de a­trio (YVO 4 ) e manipulou seus estados qua¢nticos por meio de uma combinação de campos a³pticos e de micro-ondas. A equipe então usou o qubit Yb para controlar os estados de spin nuclear de vários a¡tomos de vana¡dio circundantes no cristal.

"Com base em nosso trabalho anterior, a­ons de itanãrbio aºnico eram conhecidos por serem excelentes candidatos para redes qua¢nticas a³pticas, mas precisa¡vamos liga¡-los a a¡tomos adicionais. Demonstramos isso neste trabalho", diz Faraon, coautor correspondente do Nature papel.

O dispositivo foi fabricado no Kavli Nanoscience Institute em Caltech e depois testado em temperaturas muito baixas no laboratório de Faraon.

Uma nova técnica para utilizar spins nucleares emaranhados como memória qua¢ntica foi inspirada em manãtodos usados ​​em ressonância magnanãtica nuclear (RMN).

“Para armazenar informações qua¢nticas em spins nucleares, desenvolvemos novas técnicas semelhantes a s empregadas em ma¡quinas de RMN usadas em hospitais”, diz Joonhee Choi, pa³s-doutorando da Caltech e coautor correspondente do artigo. "O principal desafio foi adaptar as técnicas existentes para trabalhar na ausaªncia de um campo magnanãtico."

Uma caracterí­stica única deste sistema éa colocação pré-determinada de a¡tomos de vana¡dio ao redor do qubit de itanãrbio conforme prescrito pela rede cristalina . Cada qubit medido pela equipe tinha um registro de memória idaªntico, o que significa que armazenaria a mesma informação.

"A capacidade de construir uma tecnologia de forma reproduza­vel e confia¡vel éa chave para o seu sucesso", diz o estudante de pós-graduação Andrei Ruskuc, primeiro autor do artigo. “No contexto cienta­fico, isso nos permitiu obter uma visão sem precedentes das interações microsca³picas entre os qubits de itanãrbio e os a¡tomos de vana¡dio em seu ambiente”.

Esta pesquisa faz parte de um esfora§o mais amplo do laboratório de Faraon para estabelecer as bases para futuras redes qua¢nticas.

As redes qua¢nticas conectariam computadores qua¢nticos por meio de um sistema que opera em umnívelqua¢ntico, em vez de cla¡ssico. Em teoria, os computadores qua¢nticos um dia seriam capazes de executar certas funções mais rapidamente do que os computadores cla¡ssicos, aproveitando as propriedades especiais da meca¢nica qua¢ntica, incluindo a superposição, que permite que os bits qua¢nticos armazenem informações como 1 e 0 simultaneamente.

Como podem fazer com os computadores cla¡ssicos, os engenheiros gostariam de poder conectar vários computadores qua¢nticos para compartilhar dados e trabalhar juntos - criando uma "internet qua¢ntica". Isso abriria as portas para várias aplicações, incluindo a capacidade de resolver ca¡lculos grandes demais para serem manipulados por um aºnico computador qua¢ntico, bem como o estabelecimento de comunicações inquebra¡veis ​​usando criptografia qua¢ntica.

Os coautores do artigo incluem os estudantes de pós-graduação Chun-Ju Wu e Jake Rochman.