Brasil avança no ramo da computação quântica com armadilha de íons; entenda

Pesquisadores brasileiros deram um passo para o desenvolvimento da computação quântica no Brasil, conseguindo aprisionar íons frios em uma armadilha utilizando campos elétricos pela primeira vez no país.

O experimento foi realizado no IFSC-USP (Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo) e liderado por Amilson Rogelso Fritsch, um pesquisador apoiado pela FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo).

Armadilha de Paul
Os resultados do experimento, que usou íons de estrônico, foram obtidos 18 meses depois do início do projeto. Os íons frios foram presos em um sistema chamado de “Armadilha de Paul”, utilizando campos elétricos para manter átomos eletricamente carregados confinados em uma região muito pequena do espaço.

Fritsch explica que, como os íons possuem carga elétrica, eles podem ser puxados ou empurrados por campos elétricos, e a armadilha usada gera forças capazes de impedir que eles escapem em qualquer direção.

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.
Amilson Rogelso Fritsch, pesquisador do IFSC-USP

A armadilha recebeu esse nome em homenagem ao físico alemão Wolfgang Paul, que desenvolveu a técnica de confinar partículas carregadas por meio de campos elétricos oscilantes.

O experimento começa com átomos neutros de estrôncio, e um elétron é arrancado por meio de feixes de laser de cada um deles, produzindo íons positivos.

O sucesso do confinamento pôde ser visto na prática: “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.

Esses íons são colocados em uma câmara de ultra-alto vácuo para evitar colisões com moléculas do ar, que poderiam expulsá-los da armadilha ou perturbar os delicados estados quânticos que se pretende controlar.

Os eletrodos e a câmara funcionam à temperatura ambiente, sem exigir congeladores criogênicos. Porém, no interior da câmara, as partículas em si são fortemente resfriadas por lasers a temperaturas próximas do zero absoluto, reduzindo sua agitação para que a informação quântica possa ser gravada sem ruídos.

Computação quântica no Brasil
A armadilha foi inteiramente construída no Brasil e instalada em um laboratório do IFSC. De acordo com os pesquisadores, a expectativa é avançar da captura dos íons para a sua manipulação como bits quânticos, ou qubits, e realizar as primeiras operações de processamento quântico já 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
Vanderlei Bagnato, professor titular do IFSC-USP e coordenador do Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica (CEPOF)
Existem diferentes caminhos para construir um computador quântico, e as duas abordagens mais avançadas que existem atualmente são os circuitos supercondutores e os íons aprisionados, usados nessa pesquisa.

E na técnica dos íons, o próprio átomo (que teve elétrons removidos para se tornar um íon) serve como a unidade básica de informação.

Os estados desse átomo representam os bits 0 e 1, mas, considerando as leis da física quântica, ele também pode estar em uma superposição, assumindo uma combinação de 0 e 1 ao mesmo tempo.

Os múltiplos íons também podem ser emaranhados, o que ocorre quando as partículas passam a funcionar de forma interligada: se algo acontece com uma, afeta instantaneamente o conjunto todo. Esse elo é a base para criar as “portas lógicas”, elementos essenciais para executar os cálculos quânticos.

Como os íons ficam alinhados em fila com pequenos micrômetros de distância entre si, os pesquisadores conseguem disparar feixes de laser direcionados a uma única partícula por vez, alterando seu estado sem interferir nos vizinhos.

“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.

Para que tudo isso funcione na prática, porém, há um desafio: é preciso capturar e isolar um único átomo, mantendo-o imóvel pelo tempo necessário para gravar, processar e ler as informações nele.

Caso não seja possível mantê-lo dessa forma, não há como utilizá-lo como elemento de armazenamento e processamento de informação.

Apesar de o país já acumular experiência no resfriamento de átomos, o controle experimental de íons aprisionados ainda era uma peça que faltava para a área de computação quântica. Com o resultado, que ainda passará por publicação científica, a pesquisa brasileira pode se consolidar na corrida global do desenvolvimento de hardware quântico.

Fonte:CNN Brasil