Uma equipe internacional de cientistas demonstrou um salto na preservação da coerência quântica dos qubits de spin de pontos quânticos como parte do impulso global para redes quânticas práticas e computadores quânticos.
Essas tecnologias serão transformadoras para uma ampla gama de indústrias e esforços de pesquisa: desde a segurança da transferência de informações, passando pela busca de materiais e produtos químicos com novas propriedades, até medições de fenômenos físicos fundamentais que exigem sincronização precisa de tempo entre os sensores.
As interfaces spin-fóton são blocos de construção elementares para redes quânticas que permitem converter informações quânticas estacionárias (como o estado quântico de um íon ou um qubit de spin de estado sólido) em luz, ou seja, fótons, que podem ser distribuídos por grandes distâncias. Um grande desafio é encontrar uma interface que seja boa em armazenar informações quânticas e eficiente em convertê-las em luz. Os pontos quânticos de semicondutores opticamente ativos são a interface spin-fóton mais eficiente conhecida até o momento, mas estender seu tempo de armazenamento além de alguns microssegundos intrigou os físicos, apesar dos esforços de pesquisa de uma década. Agora, pesquisadores da Universidade de Cambridge, da Universidade de Linz e da Universidade de Sheffield mostraram que existe uma solução de material simples para esse problema que melhora o armazenamento de informações quânticas além de cem microssegundos.
Pontos quânticos são estruturas cristalinas feitas de muitos milhares de átomos. Cada um dos núcleos desses átomos tem um momento de dipolo magnético que se acopla ao elétron do ponto quântico e pode causar a perda de informações quânticas armazenadas no qubit do elétron. A descoberta da equipe de pesquisa, relatada em Natureza Nanotecnologia, é que em um dispositivo construído com materiais semicondutores que possuem o mesmo parâmetro de rede, os núcleos ‘sentiram’ o mesmo ambiente e se comportaram em uníssono. Como resultado, agora é possível filtrar esse ruído nuclear e obter uma melhoria de magnitude de quase duas ordens no tempo de armazenamento.
“Este é um regime completamente novo para pontos quânticos opticamente ativos, onde podemos desligar a interação com núcleos e reorientar o spin do elétron repetidamente para manter seu estado quântico vivo”, disse Claire Le Gall, do Laboratório Cavendish de Cambridge, que liderou o estudo. projeto. “Demonstramos centenas de microssegundos em nosso trabalho, mas realmente, agora que estamos neste regime, sabemos que tempos de coerência muito mais longos estão ao nosso alcance. Para spins em pontos quânticos, tempos de coerência curtos foram o maior obstáculo para as aplicações, e essa descoberta oferece uma solução clara e simples para isso.”
Ao explorar as escalas de tempo de cem microssegundos pela primeira vez, os pesquisadores ficaram agradavelmente surpresos ao descobrir que o elétron só vê o ruído dos núcleos em oposição a, digamos, ruído elétrico no dispositivo. Esta é realmente uma ótima posição porque o conjunto nuclear é um sistema quântico isolado, e o elétron coerente será uma porta de entrada para fenômenos quânticos em um grande conjunto de spin nuclear.
Outra coisa que surpreendeu os pesquisadores foi o ‘som’ captado dos núcleos. Não foi tão harmonioso quanto inicialmente previsto, e há espaço para melhorias adicionais na coerência quântica do sistema através de mais engenharia de materiais.
“Quando começamos a trabalhar com o sistema de material compatível com treliça empregado neste trabalho, não foi fácil obter pontos quânticos com propriedades bem definidas e boa qualidade óptica” – diz Armando Rastelli, co-autor deste artigo na Universidade de Linz. “É muito gratificante ver que uma linha de pesquisa inicialmente motivada pela curiosidade sobre um sistema bastante ‘exótico’ e a perseverança dos habilidosos membros da equipe Santanu Manna e Saimon Covre da Silva levaram aos dispositivos na base desses resultados espetaculares. Agora nós sabemos para que servem nossas nanoestruturas e estamos entusiasmados com a perspectiva de desenvolver ainda mais suas propriedades junto com nossos colaboradores.”
“Uma das coisas mais empolgantes sobre esta pesquisa é domar um sistema quântico complexo: cem mil núcleos se acoplando fortemente a um spin eletrônico bem controlado”, explica o estudante de doutorado de Cavendish, Leon Zaporski – o primeiro autor do artigo. “A maioria dos pesquisadores aborda o problema de isolar o qubit do ruído removendo todas as interações. Seus qubits se tornam um pouco como os gatos de Schrödinger sedados, que mal conseguem reagir a alguém puxando seu rabo. Nosso ‘gato’ está sob fortes estimulantes, que – – na prática – significa que podemos nos divertir mais com isso.”
“Os pontos quânticos agora combinam alta eficiência quântica fotônica com longos tempos de coerência de spin”, explica o professor Mete Atatüre, co-autor deste artigo. “Em um futuro próximo, prevemos esses dispositivos para permitir a criação de estados de luz emaranhados para computação quântica totalmente fotônica e permitir experimentos de controle quântico fundamentais do conjunto de spin nuclear”.
Com informações de Science Daily.
