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Uma equipe do MIT encontrou uma maneira de “recrutar” bits quânticos (qubits) normalmente perturbadores em diamante para, em vez disso, ajudar a realizar operações quânticas. Esta abordagem poderia ser usada para ajudar a ampliar os sistemas de computação quântica. Crédito: Christine Daniloff, MIT
O sistema “recruta” defeitos que normalmente causam interrupções, utilizando-os para realizar operações quânticas.
Em um avanço que pode ajudar os pesquisadores a ampliar dispositivos quânticos, um MIT equipe desenvolveu um método para “recrutar” bits quânticos vizinhos feitos de nanoescala defeitos no diamante, para que, em vez de causar perturbações, ajudem a realizar operações quânticas.
Dispositivos quânticos realizam operações usando bits quânticos, chamados “qubits”, que podem representar os dois estados correspondentes aos bits binários clássicos – 0 ou 1 – ou uma “superposição quântica” de ambos os estados simultaneamente. O estado único de superposição pode permitir que computadores quânticos resolvam problemas que são praticamente impossíveis para computadores clássicos, potencialmente estimulando avanços em biossensor, neuroimagem, aprendizado de máquinae outras aplicações.
Um candidato promissor a qubit é um defeito no diamante, chamado centro de vacância de nitrogênio (NV), que contém elétrons que podem ser manipulados por luz e microondas. Em resposta, o defeito emite fótons que podem transportar informações quânticas. No entanto, devido aos seus ambientes de estado sólido, os centros NV estão sempre rodeados por muitos outros defeitos desconhecidos com diferentes propriedades de spin, chamados “defeitos de spin”. Quando o qubit mensurável do centro NV interage com esses defeitos de spin, o qubit perde seu estado quântico coerente – “decoheres” – e as operações desmoronam. As soluções tradicionais tentam identificar esses defeitos perturbadores para proteger o qubit deles.
Em artigo publicado em 25 de fevereiro de 2020, em Revisão de cartas físicas, os investigadores descrevem um método que utiliza um centro NV para sondar o seu ambiente e descobrir a existência de vários defeitos de spin próximos. Então, os pesquisadores podem identificar a localização dos defeitos e controlá-los para alcançar um estado quântico coerente – essencialmente aproveitando-os como qubits adicionais.
Em experimentos, a equipe gerou e detectou coerência quântica entre três spins eletrônicos – aumentando o tamanho do sistema quântico de um único qubit (o centro NV) para três qubits (adicionando dois defeitos de spin próximos). As descobertas demonstram um avanço na ampliação de dispositivos quânticos usando centros NV, dizem os pesquisadores.
“Você sempre tem defeitos de spin desconhecidos no ambiente que interage com um centro NV. Dizemos: 'Não vamos ignorar esses defeitos de spin, que (se deixados de lado) poderiam causar uma decoerência mais rápida. Vamos aprender sobre eles, caracterizar seus spins, aprender a controlá-los e 'recrutá-los' para fazerem parte do sistema quântico'”, diz o coautor principal Won Kyu Calvin Sun, estudante de pós-graduação no Departamento de Ciência Nuclear e Engineering e membro do grupo Quantum Engineering. “Então, em vez de usar um único centro NV (ou apenas) um qubit, podemos usar dois, três ou quatro qubits.”
Juntando-se à Sun no artigo estão o autor principal Alexandre Cooper '16 da Caltech; Jean-Christophe Jaskula, cientista pesquisador do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica (RLE) do MIT e membro do grupo de Engenharia Quântica do MIT; e Paola Cappellaro, professora do Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear, membro do RLE e chefe do grupo de Engenharia Quântica do MIT.
Caracterizando defeitos
Os centros NV ocorrem onde faltam átomos de carbono em dois locais adjacentes na estrutura de rede de um diamante – um átomo é substituído por um átomo de nitrogênio, e o outro espaço é uma “vaga” vazia. O centro NV funciona essencialmente como um átomo, com um núcleo e elétrons circundantes que são extremamente sensíveis a pequenas variações nos campos elétricos, magnéticos e ópticos circundantes. Varrer as microondas pelo centro, por exemplo, faz com que ele mude e, assim, controle os estados de spin do núcleo e dos elétrons.
Os spins são medidos usando um tipo de espectroscopia de ressonância magnética. Este método representa graficamente as frequências dos spins dos elétrons e dos núcleos em megahertz como um “espectro de ressonância” que pode diminuir e aumentar, como um monitor cardíaco. Os spins de um centro NV sob certas condições são bem conhecidos. Mas os defeitos de spin circundantes são desconhecidos e difíceis de caracterizar.
Em seu trabalho, os pesquisadores identificaram, localizaram e controlaram dois defeitos de spin elétron-nuclear próximos a um centro NV. Eles primeiro enviaram pulsos de micro-ondas em frequências específicas para controlar o centro NV. Simultaneamente, eles pulsam outra micro-ondas que sonda o ambiente circundante em busca de outros giros. Eles então observaram o espectro de ressonância dos defeitos de spin interagindo com o centro NV.
O espectro mergulhou em vários pontos quando o pulso de sondagem interagiu com spins elétron-nucleares próximos, indicando sua presença. Os pesquisadores então varreram um campo magnético pela área em diferentes orientações. Para cada orientação, o defeito “giraria” em energias diferentes, causando diferentes quedas no espectro. Basicamente, isso permitiu medir o spin de cada defeito em relação a cada orientação magnética. Eles então inseriram as medições de energia em uma equação modelo com parâmetros desconhecidos. Esta equação é usada para descrever as interações quânticas de um defeito de spin elétron-nuclear sob um campo magnético. Então, eles poderiam resolver a equação para caracterizar cada defeito com sucesso.
Localizando e controlando
Após a caracterização dos defeitos, o próximo passo foi caracterizar a interação entre os defeitos e o NV, o que identificaria simultaneamente suas localizações. Para fazer isso, eles varreram novamente o campo magnético em diferentes orientações, mas desta vez procuraram mudanças nas energias que descrevem as interações entre os dois defeitos e o centro NV. Quanto mais forte a interação, mais próximos eles estavam um do outro. Eles então usaram essas forças de interação para determinar onde os defeitos estavam localizados, em relação ao centro NV e entre si. Isso gerou um bom mapa da localização dos três defeitos do diamante.
A caracterização dos defeitos e sua interação com o centro NV permite o controle total, o que envolve mais algumas etapas de demonstração. Primeiro, eles bombeiam o centro NV e o ambiente circundante com uma sequência de pulsos de luz verde e micro-ondas que ajudam a colocar os três qubits em um estado quântico bem conhecido. Em seguida, eles usam outra sequência de pulsos que idealmente emaranha os três qubits brevemente e depois os desembaraça, o que lhes permite detectar a coerência de três spins dos qubits.
Os pesquisadores verificaram a coerência dos três spins medindo um grande pico no espectro de ressonância. A medição do pico registrado foi essencialmente a soma das frequências dos três qubits. Se os três qubits, por exemplo, tivessem pouco ou nenhum emaranhamento, haveria quatro pontas separadas de menor altura.
“Entramos numa caixa preta (ambiente com cada centro NV). Mas quando investigamos o ambiente NV, começamos a ver quedas e nos perguntamos quais tipos de giros nos causam essas quedas. Depois de descobrirmos o spin dos defeitos desconhecidos e suas interações com o centro NV, podemos começar a controlar sua coerência”, diz Sun. “Então, teremos controle universal total do nosso sistema quântico.”
A seguir, os pesquisadores esperam compreender melhor outros ruídos ambientais em torno dos qubits. Isso os ajudará a desenvolver códigos de correção de erros mais robustos para circuitos quânticos. Além disso, como, em média, o processo de criação do centro NV no diamante cria vários outros defeitos de spin, os pesquisadores dizem que poderiam ampliar o sistema para controlar ainda mais qubits. “Fica mais complexo com a escala. Mas se pudermos começar a encontrar centros NV com mais picos de ressonância, você pode imaginar começar a controlar sistemas quânticos cada vez maiores”, diz Sun.
Referência: “Identificação e controle de defeitos de spin elétron-nuclear em diamante” por Alexandre Cooper, Won Kyu Calvin Sun, Jean-Christophe Jaskula e Paola Cappellaro, 25 de fevereiro de 2020, Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.083602