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A "dança quântica" de um único átomo de titânio. Cortesia: IBM Research
Átomos individuais em uma superfície podem ser usados como bits quânticos (qubits) para aplicativos de computação quântica. Essa é a afirmação de cientistas da IBM Research que mostraram que podem controlar as posições de cada qubit com precisão atômica manipulando os átomos em um microscópio de varredura por tunelamento (STM). Controlar a posição desses qubits também permite que a equipe modifique as interações entre pares de átomos.
“Este trabalho é um passo importante no sentido de utilizar spins em uma superfície como qubits para computação quântica,” membro da equipe Andreas Heinrich diz Physics World . "O STM nos permite construir estruturas essencialmente arbitrárias desses átomos, o que nos permite controlar a força com que eles irão interagir uns com os outros".
Computadores clássicos usam bits que podem ter um dos dois valores, "0" ou "1". Além de assumir esses valores distintos, os qubits também podem existir em estados quânticos que são superposições de "0" e "1" ao mesmo tempo. Um computador quântico feito com esses qubits pode resolver certos problemas com mais rapidez e eficiência do que os computadores clássicos convencionais. No entanto, a natureza quântica dos qubits (sua coerência quântica) é extremamente frágil e pode ser facilmente destruída por interações com o ambiente circundante.
Oscilações de Rabi
Agora, os pesquisadores da IBM liderados por Christopher Lutz usaram o giro magnético de um átomo de titânio para criar um qubit que pode apontar na direção para cima (0) ou para baixo (1). Eles colocaram o átomo em uma camada ultrafina de óxido de magnésio para proteger a natureza quântica de seu spin e o levaram a um estado escolhido de superposição quântica. Eles fizeram isso aplicando um campo elétrico variável no tempo com uma frequência na faixa de microondas no átomo de titânio. Essas microondas vêm da ponta do STM e direcionam a direção magnética do átomo.
"Quando sintonizado na frequência certa, esse campo pode girar o spin de átomos individuais para qualquer ângulo, onde o ângulo de rotação depende de quanto tempo aplicamos as microondas", explica Lutz. “Essa oscilação Rabi leva apenas cerca de 20 ns para alternar o qubit entre 0 e 1 e depois novamente. Essa técnica é conhecida como ressonância de rotação eletrônica (VHS) e é amplamente usada para medir as propriedades de materiais magnéticos. Aqui nós aplicamos a átomos individuais”.
No final do processo, o átomo aponta na direção 0 ou 1 ou em uma superposição, dependendo de quanto tempo os pesquisadores aplicam as microondas. “A técnica pode criar qualquer estado de superposição que desejarmos e podemos controlar e observar essas rotações de rotação usando a extrema sensibilidade do STM”, diz Lutz.
Este novo trabalho baseia-se em uma grande inovação do mesmo grupo em 2015, na qual combinou a ESR com a STM e usou uma voltagem entre a ponta do microscópio e a amostra como campo propulsor. Essa tensão oscilava nas freqüências de gigahertz e gerava a ressonância de rotação de um átomo de ferro individual colocado em um filme de óxido de magnésio. "Agora mostramos que podemos conduzir coerentemente o giro de átomos de titânio usando frequências de microondas e executar várias rotações de giro coerentes (perfeitamente determinísticas) dos spins antes que sua coerência quântica seja perdida", diz Heinrich.
Rotação mais rápida da rotação
Quanto maior a amplitude das microondas, mais rápido o giro gira, acrescenta. “Para conduzir rapidamente essas oscilações de rotação para rotação, simplesmente ligamos o microondas e mantivemos uma alta amplitude por 20 ns. A oscilação de Rabi é uma etapa crítica para criar superposições quânticas e mostrar que podemos usar certos sistemas quânticos como qubits”.
A história não termina aí. Como esses qubits de átomo único são altamente sensíveis aos campos magnéticos, eles também podem ser usados como sensores quânticos para medir o fraco magnetismo ou campos elétricos dos átomos próximos, dizem os pesquisadores. “Combinados com nossa capacidade de mover átomos com precisão em escala atômica com a ponta de um STM - uma técnica pioneira na IBM - agora também podemos investigar os campos magnéticos ou elétricos de nanoestruturas projetadas ou moléculas desconhecidas com precisão em escala atômica”., Diz Lutz.
A equipe, que inclui pesquisadores do Centro de Nanociência Quântica do Instituto de Ciências Básicas (IBS) e da Universidade Ewha Womans , ambos em Seul, na Coréia, e do Laboratório Clarendon da Universidade de Oxford, no Reino Unido, agora planeja otimizar o ambiente local dos qubits atômicos para melhorar seu tempo de coerência quântica. "Por exemplo, tentaremos diferentes superfícies e tipos de átomos magnéticos", diz Lutz. "Também gostaríamos de projetar e construir estruturas atômicas contendo mais átomos magnéticos para explorar o emaranhamento quântico para simulações quânticas".
A pesquisa está descrita na Science .
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HélioR.M.Cabral
(Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da
Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).
Membro
da Society for Science andthePublic (SSP) e assinante de conteúdos científicos
da NASA (NationalAeronauticsand Space Administration) e ESA (European Space
Agency).
Participa do projeto S`CoolGroundObservation
(Observações de Nuvens) que é integrado ao Projeto CERES
(CloudsandEarth´sRadiant Energy System) administrado pela NASA.A partir de 2019, tornou-se
membro da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do
projeto The GlobeProgram / NASA GlobeCloud, um Programa de Ciência e Educação
Worldwide, que também tem o objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este
projeto é patrocinado pela NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado
pela NationalOceanicandAtmosphericAdministration (NOAA) e U.S DepartmentofState.
e-mail:
heliocabral@coseno.com.br
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