Eletrônica

Processador quântico é construído dentro de um diamante

Processador quântico é construído dentro de um diamante
Processadores quânticos de estado sólido têm a grande vantagem de poderem crescer em número de qubits sem complicações de ordem prática.[Imagem: TUDelft]

Processador quântico de estado sólido

Graças a estruturas conhecidas como vacâncias de nitrogênio, o diamante vem sendo pesquisado por diversas equipes de cientistas para a construção de processadores quânticos.

Agora, um grupo internacional de pesquisadores demonstrou que não apenas é possível construir um computador quântico de diamante, como também é possível protegê-lo da decoerência.

A decoerência é uma espécie de ruído, ou interferência, atrapalhando as sutis inter-relações entre os qubits: quando ela entra em cena, a partícula que estava no ponto A e no ponto B ao mesmo tempo, subitamente passa a estar no ponto A ou no ponto B, apenas.

Outra equipe já havia criado um processador quântico de estado sólido, mas usando materiais semicondutores.

Ao contrário dos sistemas baseados em gases e líquidos, que representam a larga maioria dos experimentos com computação quântica feitos até hoje, processadores quânticos de estado sólido têm a grande vantagem de poderem crescer em número de qubits sem complicações de ordem prática.

Processador quântico é construído dentro de um diamante
Este é o protótipo do processador quântico de diamante - o chip tem 3 mm x 3mm, e o diamante tem 1 mm x 1 mm. [Imagem: Delft University of Technology/UC Santa Barbara]

Computador quântico de diamante

O processador quântico de diamante é o mais simples possível: ele possui dois qubits.

Apesar de serem constituídos inteiramente de carbono, todos os diamantes contêm impurezas, ou seja, átomos de outros elementos "perdidos" em sua estrutura atômica.

São essas impurezas que interessam aos cientistas e à computação quântica.

O primeiro qubit é um núcleo de nitrogênio, enquanto o segundo é um elétron individual, "vagando" nas proximidades, graças a outra falha na estrutura do diamante - na verdade, o qubit é o spin de cada um deles.

Elétrons são melhores do que núcleos para funcionarem como qubits porque podem fazer cálculos mais rapidamente. Por outro lado, eles são vítimas muito mais frequentes da decoerência.

Processador quântico é construído dentro de um diamante
O grande avanço deste experimento é uma proteção contra a decoerência do elétron. [Imagem: Van der Sar el al./Nature]

Viagem no tempo

O grande avanço deste experimento é que os cientistas criaram uma proteção contra a decoerência do elétron, injetando pulsos de micro-ondas que mudam continuamente a direção do seu spin.

"É um pouco como uma viagem no tempo," disse Daniel Lidar, membro da equipe.

A comparação é válida porque a contínua mudança de direção do spin reverte temporalmente as inconsistências no movimento conforme os elétrons-qubits retornam à sua posição original.

Processador quântico é construído dentro de um diamante
Lente integrada de diamante, acima de cada qubit, onde os cálculos são realizados - o diâmetro da lente é de 20 micrômetros. [Imagem: UCSB]

Algoritmo de Grover

Além de proteger o sistema contra a decoerência, o grupo demonstrou que o processador quântico de dois qubits funciona ao fazê-lo rodar o algoritmo de Grover, uma busca básica em um conjunto de dados não ordenados.

Imagine, por exemplo, encontrar um número de telefone em uma lista telefônica sem saber o nome do assinante.

Por um milagre, você pode encontrá-lo na primeira tentativa; por uma maldição, ele pode ser o último; na média, contudo, você varrerá a metade da lista até encontrar o número que procura.

Embora não seja perfeito, o processador quântico de diamante encontra a resposta correta em sua busca na primeira tentativa 95% das vezes - o que é o bastante para provar que o que ele faz é realmente um processamento quântico.

Bibliografia:

Decoherence-protected quantum gates for a hybrid solid-state spin register
T. van der Sar, Z. H. Wang, M. S. Blok, H. Bernien, T. H. Taminiau, D. M. Toyli, D. A. Lidar, D. D. Awschalom, R. Hanson, V. V. Dobrovitski
Nature
Vol.: 484, 82-86
DOI: 10.1038/nature10900




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