O emaranhado quântico – uma vez demitido por Albert Einstein como “ação assustadora à distância” – há muito capturou a imaginação pública e intrigada até cientistas experientes.
Mas para os praticantes quânticos de hoje, a realidade é bastante mais mundana: o emaranhamento é um tipo de conexão entre partículas que é a característica por excelência dos computadores quânticos.
Embora esses dispositivos ainda estejam em sua infância, o emaranhado é o que lhes permitirá fazer as coisas que computadores clássicos não podem, como simular melhor sistemas quânticos naturais, como moléculas, produtos farmacêuticos ou catalisadores.
Em nova pesquisa publicada hoje em Ciênciameus colegas e eu demonstramos emaranhamento quântico entre dois núcleos atômicos separados por cerca de 20 nanômetros.
Isso pode não parecer muito. Mas o método que usamos é um avanço prático e conceitual que pode ajudar a criar computadores quânticos usando um dos sistemas mais precisos e confiáveis para armazenar informações quânticas.
Balanço de controle com ruído
O desafio enfrentado pela Quantum Computer Engineers é equilibrar duas necessidades opostas.
Os elementos de computação frágeis devem ser protegidos da interferência e ruído externos. Mas, ao mesmo tempo, deve haver uma maneira de interagir com eles para realizar cálculos significativos.
É por isso que existem tantos tipos diferentes de hardware ainda na corrida para ser o primeiro computador quântico operacional.
Alguns tipos são muito bons para executar operações rápidas, mas sofrem de ruído. Outros estão bem protegidos do ruído, mas difíceis de operar e aumentar.
Fazer com que os núcleos conversem um com o outro
Minha equipe trabalha em uma plataforma que – até hoje – poderia ser colocada no segundo acampamento. Implantamos átomos de fósforo em chips de silício e usamos a rotação dos núcleos dos átomos para codificar informações quânticas.
Para construir um computador quântico útil, precisaremos trabalhar com muitos núcleos atômicos ao mesmo tempo. Mas até agora, a única maneira de trabalhar com vários núcleos atômicos era colocá -los muito próximos dentro de um sólido, onde eles poderiam ser cercados por um único elétron.
Normalmente, pensamos em um elétron muito menor que o núcleo de um átomo. No entanto, a física quântica nos diz que pode “se espalhar” no espaço, para que possa interagir com vários núcleos atômicos ao mesmo tempo.
Mesmo assim, o alcance sobre o qual um único elétron pode se espalhar é bastante limitado. Além disso, adicionar mais núcleos ao mesmo elétron torna muito desafiador controlar cada núcleo individualmente.
‘Telefones eletrônicos’
Poderíamos dizer que, até agora, os núcleos eram como pessoas colocadas em salas à prova de som. Eles podem conversar entre si, desde que estejam todos na mesma sala, e as conversas são realmente claras.
Mas eles não conseguem ouvir nada de fora, e há tantas pessoas que podem caber dentro da sala. Portanto, esse modo de conversa não pode ser ampliado.
Em nosso novo trabalho, é como se tivéssemos deram a pessoas telefones para se comunicarem com outros quartos. Cada quarto ainda é agradável e tranquilo por dentro, mas agora podemos conversar entre muitas outras pessoas, mesmo que estejam longe.
Os “telefones” são elétrons. Por sua capacidade de se espalhar no espaço, dois elétrons podem “tocar” um ao outro a alguma distância.
E se cada elétron estiver diretamente acoplado a um núcleo atômico, os núcleos poderão se comunicar através da interação entre os elétrons.
Utilizamos o canal de elétrons para criar emaranhamento quântico entre os núcleos por meio de um método chamado “portão geométrico”, que usamos há alguns anos para realizar operações quânticas de alta precisão com átomos em silício.
Agora – pela primeira vez em silício – mostramos que esse método pode escalar além de pares de núcleos que estão ligados ao mesmo elétron.
Encaixando -se com circuitos integrados
Em nosso experimento, os núcleos de fósforo foram separados por 20 nanômetros. Se isso parece ainda uma pequena distância, é: existem menos de 40 átomos de silício entre os dois fósforo.
Mas essa também é a escala na qual os transistores diários de silício são fabricados. Criar emaranhamento quântico na escala de 20 nanômetros significa que podemos integrar nossos qubits de spin nucleares de longa duração e bem protegidos na arquitetura existente de chips padrão de silício, como os de nossos telefones e computadores.
No futuro, imaginamos que a distância de emaranhamento ainda mais, porque os elétrons podem ser movidos fisicamente ou espremidos em formas mais alongadas.
Nosso último avanço significa que o progresso nos dispositivos quânticos baseados em elétrons pode ser aplicado à construção de computadores quânticos que usam rotações nucleares de vida longa para realizar cálculos confiáveis.
Andrea Morello é professora de Nanossistemas Quantum, UNSW Sydney. Este artigo foi republicado de A conversa.
Publicado – 24 de setembro de 2025 06:00
