Novo método para controlar o spin do elétron abre caminho para computadores quânticos eficientes: o método, desenvolvido por cientistas da Universidade de Rochester, supera as limitações da ressonância do spin do elétron

Em artigo publicado em física da naturezaum grupo de pesquisadores da Universidade de Rochester, incluindo John Nichol, professor associado de física, descreve um novo método para controlar o spin do elétron em pontos quânticos de silício – minúsculos semicondutores em nanoescala com propriedades notáveis ​​- como uma forma de manipular informações em um sistema quântico.

“Os resultados do estudo fornecem um novo mecanismo promissor para o controle coerente de qubits com base no spin do elétron em pontos quânticos semicondutores, o que pode abrir caminho para o desenvolvimento de um computador quântico prático baseado em silício”, diz Nichol.

Usando pontos quânticos como qubits

Um computador comum consiste em bilhões de transistores, chamados bits. Os computadores quânticos, por outro lado, são baseados em bits quânticos, também conhecidos como qubits. Ao contrário dos transistores comuns, que podem ser “0” (desligado) ou “1” (ligado), os qubits são regidos pelas leis da mecânica quântica e podem ser “0” e “1” ao mesmo tempo.

Os cientistas há muito consideram o uso de pontos quânticos de silício como qubits; controlar o spin dos elétrons em pontos quânticos ofereceria uma maneira de manipular a transferência de informações quânticas. Cada elétron em um ponto quântico tem magnetismo intrínseco, como uma pequena barra magnética. Os cientistas chamam isso de “giro do elétron” – o momento magnético associado a cada elétron – porque cada elétron é uma partícula carregada negativamente que se comporta como se estivesse girando rapidamente, e é esse movimento efetivo que dá origem ao magnetismo.

O spin do elétron é um candidato promissor para transferir, armazenar e processar informações na computação quântica porque oferece tempos de coerência longos e altas fidelidades de porta e é compatível com técnicas avançadas de fabricação de semicondutores. O tempo de coerência de um qubit é o tempo antes que a informação quântica seja perdida devido a interações com um ambiente ruidoso; coerência longa significa um tempo mais longo para realizar cálculos. A alta fidelidade do portão significa que a operação quântica que os pesquisadores estão tentando realizar é executada exatamente como eles desejam.

Um grande desafio no uso de pontos quânticos de silício como qubits, no entanto, é controlar o spin do elétron.

Controlando o spin do elétron

O método padrão para controlar o spin do elétron é a ressonância do spin do elétron (ESR), que envolve a aplicação de campos magnéticos de radiofrequência oscilantes aos qubits. No entanto, este método tem várias limitações, incluindo a necessidade de gerar e controlar com precisão os campos magnéticos oscilantes em ambientes criogênicos, onde a maioria dos qubits de spin de elétrons são operados. Normalmente, para gerar campos magnéticos oscilantes, os pesquisadores enviam uma corrente através de um fio, e isso gera calor, o que pode perturbar os ambientes criogênicos.

Nichol e seus colegas descrevem um novo método para controlar o spin do elétron em pontos quânticos de silício que não dependem de campos eletromagnéticos oscilantes. O método é baseado em um fenômeno chamado “acoplamento spin-valley”, que ocorre quando elétrons em pontos quânticos de silício transitam entre diferentes estados de spin e vale. Enquanto o estado de spin de um elétron se refere às suas propriedades magnéticas, o estado do vale se refere a uma propriedade diferente relacionada ao perfil espacial do elétron.

Os pesquisadores aplicam um pulso de voltagem para aproveitar o efeito de acoplamento spin-vale e manipular os estados de spin e vale, controlando o spin do elétron.

“Esse método de controle coerente, por acoplamento spin-valley, permite o controle universal sobre qubits e pode ser executado sem a necessidade de campos magnéticos oscilantes, que é uma limitação do ESR”, diz Nichol. “Isso nos permite um novo caminho para usar pontos quânticos de silício para manipular informações em computadores quânticos”.