Entrelaçamento inédito de moléculas viabiliza computador quântico mais poderoso

Redação do Site Inovação Tecnológica - 11/12/2023

As moléculas são qubits superiores aos átomos ou fótons porque são mais resistentes a erros e têm maiores graus de liberdade.
[Imagem: Science]

Entrelaçamento de moléculas

Duas equipes, trabalhando independentemente, conseguiram finalmente realizar um longamente esperado avanço na mecânica quântica: Implementar o fenômeno quântico do entrelaçamento (ou emaranhamento) entre moléculas.

Quando estão entrelaçadas, duas partículas ficam altamente correlacionadas entre si, o que significa que qualquer coisa que aconteça a uma afetará imediatamente a outra, mesmo que elas sejam colocadas uma em cada extremidade do Universo. Sim, é um fenômeno bizarro, que Einstein chamava de ação fantasmagórica à distância porque aparentemente viola o postulado de que, para ser trocada, qualquer informação precisaria viajar no máximo à velocidade da luz - por tudo o que sabemos atualmente, a troca de informações entre partículas entrelaçadas é instantânea.

Juntamente com a superposição, que é o fenômeno que permite que os qubits sejam 0 e 1 ao mesmo tempo, o entrelaçamento é a base de toda a computação quântica e de quase todas as demais tecnologias quânticas. Em termos bem simples, o entrelaçamento permite que as partículas quânticas "falem" umas com as outras sem precisar de qualquer conexão física entre elas. Mas, até agora, isto só havia sido demonstrado entre partículas que a física considera "unitárias", como fótons de luz, átomos individuais e sistemas supercondutores.

Acontece que as moléculas podem ser qubits melhores para os computadores porque elas são mais resistentes ao eterno ruído do reino quântico, que faz os qubits perderem os dados muito rapidamente - o próprio entrelaçamento é muito delicado, e pode ser destruído muito facilmente.

Assim, em resumo, fazer o entrelaçamento entre moléculas abre caminho para criar uma nova arquitetura de computação quântica mais simples e com maior imunidade a erros, que é o maior dos desafios para tornar prática essa nova geração de computadores futurísticos.

As demonstrações incluíram o entrelaçamento, a superposição e a disposição das moléculas em linha, para funcionarem como qubits.
[Imagem: Connor M. Holland et al. - 10.1126/science.adf4272]

Qubit molecular

Os engenheiros e cientistas ainda não têm certeza sobre qual plataforma física é melhor para a criação de qubits. Muitas arquiteturas diferentes, como íons, átomos neutros, fótons, circuitos supercondutores e outros têm sido explorados como candidatas a computadores e componentes quânticos, mas nenhuma delas é ideal para todas as aplicações.

Agora, duas equipes, lideradas por Connor Holland (Universidade de Princeton, nos EUA) e Yicheng Bao (Universidade de Harvard, nos EUA), conseguiram vencer todos os desafios e conseguiram, pela primeira vez, entrelaçar moléculas - nas duas demonstrações foram usadas moléculas de monofluoreto de cálcio (CaF).

Os pesquisadores escolheram uma espécie molecular que é polar e que pode ser resfriada com lasers, o que permitiu levar as moléculas a temperaturas ultrafrias, onde começam a imperar as leis da mecânica quântica. Moléculas individuais do composto original foram então capturadas por um sistema complexo de feixes de laser fortemente focados, as chamadas pinças ópticas, que ganharam o Prêmio Nobel de Física de 2018.

Usando cuidadosamente as pinças, foi possível criar grandes conjuntos de moléculas e posicioná-las individualmente em qualquer configuração unidimensional desejada - as equipes demonstraram desde pares isolados de moléculas até cadeias de moléculas perfeitas, sem lacunas. Isto permite tirar proveito de uma das grandes vantagens dos qubits moleculares, que é o número muito maior de graus de liberdade de uma molécula - em relação aos átomos, por exemplo.

"O que isto significa, em termos práticos, é que existem novas formas de armazenar e processar informação quântica," disse Yukai Lu, membro da equipe de Princeton. "Por exemplo, uma molécula pode vibrar e girar em vários modos. Portanto, você pode usar dois desses modos para codificar um qubit. Se a espécie molecular for polar, duas moléculas podem interagir mesmo quando separadas espacialmente."

Este é o aparato laboratorial que usou lasers para resfriar, controlar e entrelaçar moléculas individuais.
[Imagem: Richard Soden/Princeton University]

Demonstrações

Em uma das demonstrações, os pesquisadores usaram uma molécula como qubit codificando um dado no estado de rotação da molécula (rotativo ou não-rotativo). Eles conseguiram mostrar que esse qubit molecular permaneceu coerente, ou seja, não perdeu o dado dependente da superposição quântica. Em resumo, eles demonstraram a capacidade de criar qubits bem controlados e coerentes a partir de moléculas controladas individualmente.

Mas faltava o mais importante: Demonstrar o entrelaçamento quântico. Para emaranhar as moléculas, foi necessário usar uma série de pulsos de micro-ondas para fazer com que moléculas individuais interagissem umas com as outras de maneira coerente. Ao permitir que a interação ocorresse por um período de tempo preciso, foi possível implementar uma porta de dois qubits que entrelaçava duas moléculas. Isto é significativo porque essa porta entrelaçada de dois qubits é um alicerce tanto para a computação quântica digital universal quanto para os simuladores quânticos, processadores especiais dedicados que permitem simular materiais reais, mesmo os muito complexos.

"Usar moléculas para a ciência quântica é uma nova fronteira e nossa demonstração de entrelaçamento sob demanda é um passo fundamental para demonstrar que as moléculas podem ser usadas como uma plataforma viável para a ciência quântica," disse o professor Lawrence Cheuk, de Princeton.

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