Brasil conquista avanço inédito na computação quântica com íons aprisionados

Computação quântica – Pesquisadores do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP) conseguiram, pela primeira vez no Brasil, aprisionar íons frios utilizando campos elétricos. O experimento representa uma etapa para o desenvolvimento de tecnologias de computação quântica no país.

O trabalho foi liderado por Amilson Rogelso Fritsch, pesquisador apoiado pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP). Os resultados foram alcançados 18 meses após o início do projeto e envolveram o uso de íons de estrôncio em um sistema conhecido como Armadilha de Paul.

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A técnica utiliza campos elétricos para manter partículas eletricamente carregadas confinadas em uma pequena região do espaço. Como os íons possuem carga elétrica, podem ser atraídos ou repelidos por esses campos. No experimento, as forças produzidas pela armadilha impedem que as partículas escapem.

“Isso foi obtido por meio de um campo elétrico que oscila a aproximadamente 18 megahertz, isto é, 18 milhões de vezes por segundo. A oscilação é tão rápida que os íons simplesmente não conseguem acompanhar as sucessivas mudanças do campo. O efeito médio das forças mantém as partículas confinadas e alinhadas no eixo central da armadilha”, afirma Amilson Rogelso Fritsch, pesquisador do IFSC-USP

O nome da técnica é uma homenagem ao físico alemão Wolfgang Paul, responsável pelo desenvolvimento do método de confinamento de partículas carregadas por meio de campos elétricos oscilantes.

Para realizar o experimento, os pesquisadores partiram de átomos neutros de estrôncio. Por meio de feixes de laser, um elétron é retirado de cada átomo, transformando-o em um íon positivo.

Depois de produzidas, as partículas são confinadas pela armadilha.

O resultado pode ser observado nas imagens obtidas durante o experimento. “Nas imagens que obtivemos, cada ponto luminoso corresponde a um único íon de estrôncio aprisionado. O que vemos não é uma representação gráfica, mas íons reais”, diz Fritsch.

Os íons são mantidos dentro de uma câmara de ultra-alto vácuo, que reduz a possibilidade de colisões com moléculas do ar. Essas colisões poderiam retirar as partículas da armadilha ou interferir nos estados quânticos que os pesquisadores pretendem controlar.

Embora os eletrodos e a câmara funcionem em temperatura ambiente, os íons são fortemente resfriados por lasers. As partículas chegam a temperaturas próximas do zero absoluto, reduzindo sua agitação e permitindo que informações quânticas sejam gravadas com menos ruído.

Próximos passos

A armadilha utilizada no experimento foi construída inteiramente no Brasil e instalada em um laboratório do IFSC. Com o confinamento dos íons, o próximo objetivo dos pesquisadores é avançar para a manipulação das partículas como bits quânticos, ou qubits, e realizar as primeiras operações de processamento quântico nos próximos meses.

“Agora, com o sucesso no aprisionamento de íons, a pesquisa brasileira está no mapa. Esse é um dos hardwares necessários para o desenvolvimento da computação quântica”, explica Vanderlei Bagnato, professor titular do IFSC-USP e coordenador do Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica (CEPOF)

Existem diferentes formas de desenvolver um computador quântico. Entre as abordagens mais avançadas estão os circuitos supercondutores e os sistemas baseados em íons aprisionados, como o utilizado no experimento brasileiro.

Na técnica de íons, o próprio átomo, depois de ter elétrons removidos e se transformar em um íon, funciona como a unidade básica de informação. Seus estados podem representar os bits 0 e 1.

Pelas características da física quântica, porém, a partícula também pode permanecer em uma superposição, combinando os estados 0 e 1 simultaneamente.

Os íons também podem ser emaranhados. Nesse fenômeno, as partículas passam a funcionar de maneira interligada, formando a base para a criação das chamadas portas lógicas, necessárias para a realização de cálculos quânticos.

Como os íons permanecem alinhados em uma fila, separados por poucos micrômetros, os pesquisadores podem direcionar feixes de laser para uma partícula específica. Dessa maneira, é possível modificar seu estado sem interferir nas partículas vizinhas.

Apesar dessas características, a computação quântica não significa que os computadores desse tipo substituirão os computadores atuais ou serão mais rápidos em qualquer tarefa. O potencial está concentrado em determinados problemas que podem se beneficiar de fenômenos como a superposição e o emaranhamento.

“Essa capacidade superior não significa que computadores quânticos venham simplesmente substituir os atuais ou sejam mais rápidos para qualquer tarefa. Seu grande potencial está em determinadas classes de problemas para as quais fenômenos como superposição e emaranhamento possam ser explorados computacionalmente. Um exemplo particularmente importante é a simulação de átomos e moléculas, com possíveis aplicações no desenvolvimento de novos materiais e fármacos”, esclarece Bagnato.

Desafio do controle das partículas

Para que a tecnologia funcione, os pesquisadores precisam conseguir capturar e isolar um único átomo, mantendo-o imóvel pelo período necessário para registrar, processar e ler as informações armazenadas nele. Sem esse controle, a partícula não pode funcionar como unidade de armazenamento e processamento de informação.

O Brasil já possui experiência no resfriamento de átomos, mas o controle experimental de íons aprisionados ainda era uma etapa que faltava para o desenvolvimento da computação quântica no país.

O resultado do experimento ainda será submetido à publicação científica. Para os pesquisadores, o domínio da técnica de aprisionamento representa mais uma etapa para que o Brasil avance no desenvolvimento de hardware voltado à computação quântica.

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(Com informações de CNN Brasil)
(Foto: Reprodução/Magnific/kjpargeter)