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Os eletrodos esticam as cordas de diamante para aumentar a frequência das vibrações atômicas às quais um elétron é sensível, assim como apertar uma corda de violão aumenta a frequência ou o tom da corda. A tensão acalma o ambiente de um qubit e melhora a memória de dezenas para várias centenas de nanossegundos, tempo suficiente para realizar muitas operações em um chip quântico. (Second Bay Studios/Harvard SEAS)
Uma internet quântica promete comunicação totalmente segura. Mas usar bits quânticos ou qubits para transportar informações requer uma peça de hardware radicalmente nova – uma memória quântica. Este dispositivo em escala atômica precisa armazenar informações quânticas e convertê-las em luz para transmiti-las pela rede.
Um grande desafio para esta visão é que os qubits são extremamente sensíveis ao seu ambiente, mesmo as vibrações dos átomos próximos podem perturbar a sua capacidade de lembrar informações. Até agora, os pesquisadores confiaram em temperaturas extremamente baixas para acalmar as vibrações, mas atingir essas temperaturas para redes quânticas de grande escala é proibitivamente caro.
Agora, pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson e da Universidade de Cambridge desenvolveram uma solução de memória quântica que é tão simples quanto afinar uma guitarra.
Os pesquisadores projetaram cordas de diamante que podem ser ajustadas para acalmar o ambiente de um qubit e melhorar a memória de dezenas a várias centenas de nanossegundos, tempo suficiente para realizar muitas operações em um chip quântico.
“As impurezas no diamante surgiram como nós promissores para redes quânticas”, disse Marko Loncar, professor de engenharia elétrica da Tiantsai Lin no SEAS e autor sênior da pesquisa. “No entanto, eles não são perfeitos. Alguns tipos de impurezas são realmente bons em reter informações, mas têm dificuldade em se comunicar, enquanto outros são realmente bons comunicadores, mas sofrem com perda de memória. Neste trabalho, pegamos o último tipo e melhoramos a memória em dez vezes.”
A pesquisa está publicada em Comunicações da Natureza.
As impurezas nos diamantes, conhecidas como centros de cores com lacunas de silício, são qubits poderosos. Um elétron preso no centro atua como um bit de memória e pode emitir fótons únicos de luz vermelha, que por sua vez atuariam como portadores de informações de longa distância de uma Internet quântica. Mas com os átomos próximos no cristal de diamante vibrando aleatoriamente, o elétron no centro rapidamente esquece qualquer informação quântica que lhe seja solicitado.
“Ser um elétron em um centro de cores é como tentar estudar em um mercado barulhento”, disse Srujan Meesala, estudante de graduação na SEAS e coautor do artigo. “Há todo esse barulho ao seu redor. Se quiser se lembrar de alguma coisa, você precisa pedir à multidão que fique quieta ou encontrar uma maneira de se concentrar em meio ao barulho. Nós fizemos o último.”
Para melhorar a memória em um ambiente barulhento, os pesquisadores esculpiram o cristal de diamante que abriga o centro da cor em um fio fino, com cerca de um mícron de largura – cem vezes mais fino que um fio de cabelo – e prenderam eletrodos em cada lado. Ao aplicar uma voltagem, a corda de diamante se estica e aumenta a frequência das vibrações às quais o elétron é sensível, assim como apertar uma corda de violão aumenta a frequência ou o tom da corda.
“Ao criar tensão na corda, aumentamos a escala de energia das vibrações às quais o elétron é sensível, o que significa que agora ele só pode sentir vibrações de energia muito altas”, disse Meesala. “Este processo transforma efetivamente as vibrações circundantes no cristal em um zumbido de fundo irrelevante, permitindo que o elétron dentro da vaga retenha informações confortavelmente por centenas de nanossegundos, o que pode ser muito tempo na escala quântica. Uma sinfonia dessas cordas de diamante sintonizáveis poderia servir como a espinha dorsal de uma futura Internet quântica.”
Em seguida, os pesquisadores esperam estender a memória dos qubits até o milissegundo, o que permitiria centenas de milhares de operações e comunicação quântica de longa distância.
O Escritório de Desenvolvimento Tecnológico de Harvard protegeu a propriedade intelectual relativa a este projeto e está explorando oportunidades de comercialização.
Referência: “Controlando a coerência de um qubit de spin de diamante através de seu ambiente de deformação” por Young-Ik Sohn, Srujan Meesala, Benjamin Pingault, Haig A. Atikian, Jeffrey Holzgrafe, Mustafa Gündoğan, Camille Stavrakas, Megan J. Stanley, Alp Sipahigil, Joonhee Choi, Mian Zhang, Jose L. Pacheco, John Abraham, Edward Bielejec, Mikhail D. Lukin, Mete Atatüre e Marko Lončar, 22 de maio de 2018, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-018-04340-3