Entrelaçamento quântico entre núcleos atómicos em silício

O entrelaçamento quântico - que Albert Einstein descartou em tempos como «ação fantasmagórica à distância» - há muito que fascina o público e intriga até cientistas experientes.

No entanto, para quem trabalha hoje na área quântica, a realidade é bem mais prosaica: o entrelaçamento é um tipo de ligação entre partículas e constitui a característica por excelência dos computadores quânticos.

Embora estes equipamentos ainda estejam numa fase inicial, é o entrelaçamento que lhes permitirá realizar tarefas impossíveis para os computadores clássicos, como simular de forma mais eficaz sistemas quânticos naturais, incluindo moléculas, medicamentos ou catalisadores.

Numa nova investigação publicada hoje na Science, os meus colegas e eu demonstrámos entrelaçamento quântico entre dois núcleos atómicos separados por cerca de 20 nanómetros.

À primeira vista, esta distância pode parecer pouco relevante. Contudo, o método que utilizámos representa um avanço prático e conceptual, podendo contribuir para a construção de computadores quânticos com um dos sistemas mais rigorosos e fiáveis de armazenamento de informação quântica.

Equilibrar controlo e ruído

Os engenheiros de computadores quânticos enfrentam o desafio de conciliar duas exigências opostas.

Por um lado, os delicados elementos de computação têm de ser protegidos contra interferências externas e ruído. Por outro, é necessário conseguir interagir com eles para executar cálculos com significado.

É esta a razão para continuarem em competição tantos tipos diferentes de hardware na corrida ao primeiro computador quântico funcional.

Algumas tecnologias são muito eficazes na execução de operações rápidas, mas são afectadas pelo ruído. Outras estão bem protegidas contra esse ruído, embora sejam difíceis de operar e de ampliar à escala necessária.

Fazer os núcleos atómicos comunicarem entre si

A minha equipa tem trabalhado numa plataforma que, até agora, se enquadrava no segundo grupo. Implantámos átomos de fósforo em chips de silício e recorremos ao spin dos núcleos desses átomos para codificar informação quântica.

Para criar um computador quântico útil, teremos de operar com muitos núcleos atómicos em simultâneo. Até agora, porém, a única forma de trabalhar com vários núcleos atómicos consistia em colocá-los muito próximos num sólido, onde podiam ser envolvidos por um único eletrão.

Habitualmente, pensamos que um eletrão é muito menor do que o núcleo de um átomo. Contudo, a física quântica indica-nos que ele pode «espalhar-se» no espaço e, assim, interagir ao mesmo tempo com vários núcleos atómicos.

Ainda assim, a distância a que um único eletrão se consegue espalhar é bastante limitada. Além disso, ligar mais núcleos ao mesmo eletrão torna muito difícil controlar cada núcleo de forma individual.

«Telefones» eletrónicos para entrelaçar núcleos distantes

Até agora, poderíamos comparar os núcleos a pessoas instaladas em salas insonorizadas. Conseguem falar umas com as outras desde que estejam todas na mesma sala, e as conversas são muito nítidas.

Mas não conseguem ouvir o que vem do exterior, e cada sala só tem espaço para um número limitado de pessoas. Por isso, este modelo de comunicação não pode ser ampliado.

No nosso novo trabalho, é como se tivéssemos dado telefones às pessoas para comunicarem com outras salas. Cada sala continua tranquila no interior, mas passam a ser possíveis conversas entre muito mais pessoas, mesmo quando estão longe umas das outras.

Os «telefones» são os eletrões. Graças à capacidade de se espalharem no espaço, dois eletrões podem «tocar-se» a uma distância considerável.

E, se cada eletrão estiver diretamente acoplado a um núcleo atómico, os núcleos podem comunicar através da interação entre os eletrões.

Utilizámos o canal eletrónico para gerar entrelaçamento quântico entre os núcleos através de um método chamado «porta geométrica», que empregámos há alguns anos para realizar operações quânticas de elevada precisão com átomos em silício.

Pela primeira vez em silício, demonstrámos agora que este método pode ser ampliado para além de pares de núcleos ligados ao mesmo eletrão.

Compatibilidade com circuitos integrados

Na nossa experiência, os núcleos de fósforo estavam separados por 20 nanómetros. Embora continue a parecer uma distância reduzida, de facto é: existem menos de 40 átomos de silício entre os dois átomos de fósforo.

Ainda assim, esta é também a escala em que são fabricados os transístores de silício do dia a dia. Criar entrelaçamento quântico à escala de 20 nanómetros permite-nos integrar os nossos qubits de spin nuclear, de longa duração e bem protegidos, na arquitetura existente dos chips de silício convencionais, como os usados nos nossos telemóveis e computadores.

No futuro, prevemos aumentar ainda mais a distância do entrelaçamento, pois os eletrões podem ser deslocados fisicamente ou comprimidos em formas mais alongadas.

O nosso mais recente avanço permite que o progresso dos dispositivos quânticos baseados em eletrões seja aplicado à construção de computadores quânticos que recorrem a spins nucleares de longa duração para realizar cálculos fiáveis.

Andrea Morello, Professor de Nanossistemas Quânticos, UNSW Sydney

Este artigo é republicado de The Conversation ao abrigo de uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.