Em princípio, dispositivos baseados em quantum, como computadores e sensores, poderiam superar amplamente as tecnologias digitais convencionais para a realização de muitas tarefas complexas. Mas desenvolver tais dispositivos na prática tem sido um problema desafiador, apesar dos grandes investimentos de empresas de tecnologia, bem como de laboratórios acadêmicos e governamentais.
Os maiores computadores quânticos de hoje ainda têm apenas algumas centenas de “qubits”, os equivalentes quânticos dos bits digitais.
Agora, pesquisadores do MIT propuseram uma nova abordagem para fazer qubits e controlá-los para ler e gravar dados. O método, que nesta fase é teórico, se baseia em medir e controlar os spins de núcleos atômicos, usando feixes de luz de dois lasers de cores ligeiramente diferentes. Os resultados são descritos em um artigo publicado na revista Revisão Física Xescrito pelo estudante de doutorado do MIT Haowei Xu, pelos professores Ju Li e Paola Cappellaro e outros quatro.
Os spins nucleares há muito são reconhecidos como blocos de construção potenciais para sistemas de comunicação e processamento de informações baseados em quantum, assim como os fótons, as partículas elementares que são pacotes discretos, ou “quanta”, de radiação eletromagnética. Mas persuadir esses dois objetos quânticos a trabalharem juntos foi difícil porque os núcleos atômicos e os fótons mal interagem, e suas frequências naturais diferem de seis a nove ordens de magnitude.
No novo processo desenvolvido pela equipe do MIT, a diferença na frequência de um feixe de laser incidente corresponde às frequências de transição do spin nuclear, empurrando o spin nuclear para uma determinada direção.
“Encontramos uma maneira nova e poderosa de interagir spins nucleares com fótons ópticos de lasers”, diz Cappellaro, professor de ciência e engenharia nuclear. “Este novo mecanismo de acoplamento permite seu controle e medição, o que agora torna o uso de spins nucleares como qubits um empreendimento muito mais promissor”.
O processo é completamente ajustável, dizem os pesquisadores. Por exemplo, um dos lasers poderia ser sintonizado para corresponder às frequências dos sistemas de telecomunicações existentes, transformando assim os spins nucleares em repetidores quânticos para permitir a comunicação quântica de longa distância.
As tentativas anteriores de usar a luz para afetar os spins nucleares foram indiretas, acoplando-se, em vez disso, aos spins dos elétrons ao redor desse núcleo, que por sua vez afetariam o núcleo por meio de interações magnéticas. Mas isso requer a existência de spins de elétrons desemparelhados próximos e leva a um ruído adicional nos spins nucleares. Para a nova abordagem, os pesquisadores aproveitaram o fato de muitos núcleos possuírem um quadrupolo elétrico, o que leva a uma interação quadrupolar nuclear elétrica com o meio ambiente. Essa interação pode ser afetada pela luz para alterar o estado do próprio núcleo.
“A rotação nuclear geralmente interage muito fracamente”, diz Li. “Mas, usando o fato de que alguns núcleos têm um quadrupolo elétrico, podemos induzir esse efeito óptico não linear de segunda ordem que se acopla diretamente ao spin nuclear, sem nenhum spin intermediário de elétron. Isso nos permite manipular diretamente o spin nuclear.”
Entre outras coisas, isso pode permitir a identificação precisa e até o mapeamento de isótopos de materiais, enquanto a espectroscopia Raman, um método bem estabelecido baseado em física análoga, pode identificar a química e a estrutura do material, mas não os isótopos. Essa capacidade pode ter muitas aplicações, dizem os pesquisadores.
Quanto à memória quântica, dispositivos típicos atualmente usados ou considerados para computação quântica têm tempos de coerência – ou seja, a quantidade de tempo que as informações armazenadas podem ser mantidas intactas de forma confiável – que tendem a ser medidas em pequenas frações de segundo. Mas com o sistema de spin nuclear, os tempos de coerência quântica são medidos em horas.
Como os fótons ópticos são usados para comunicações de longa distância por meio de redes de fibra óptica, a capacidade de acoplar diretamente esses fótons à memória quântica ou a dispositivos sensores pode fornecer benefícios significativos em novos sistemas de comunicação, diz a equipe. Ademais, o efeito pode ser usado para fornecer uma maneira eficiente de traduzir um conjunto de comprimentos de onda para outro. “Estamos pensando em usar spins nucleares para a transdução de fótons de micro-ondas e fótons ópticos”, diz Xu, acrescentando que isso pode fornecer maior fidelidade para essa tradução do que outros métodos.
Até agora, o trabalho é teórico, então o próximo passo é implementar o conceito em dispositivos reais de laboratório, provavelmente antes de tudo em um sistema espectroscópico. “Este pode ser um bom candidato para o experimento de prova de princípio”, diz Xu. Depois disso, eles abordarão dispositivos quânticos, como memória ou efeitos de transdução, diz ele.
A equipe também incluiu Changhao Li, Guoqing Wang, Hua Wang, Hao Tang e Ariel Barr, todos do MIT.
Com informações de Science Daily.