Pesquisadores da HZDR conseguiram gerar excitações semelhantes a ondas em um disco magnético – os chamados magnons – para manipular especificamente qubits de tamanho atômico em carboneto de silício. Isto poderia abrir novas possibilidades para a transdução de informações dentro de redes quânticas. Crédito: HZDR/Maurício Bejarano
Pesquisadores da HZDR desenvolveram um novo método para transduzir informações quânticas usando magnons, oferecendo uma abordagem promissora para superar os desafios em Computação quânticaparticularmente para melhorar a estabilidade do qubit e a eficiência da comunicação.
Os computadores quânticos prometem resolver alguns dos problemas mais desafiadores que a humanidade enfrenta hoje. Embora muita atenção tenha sido direcionada para a computação de informação quântica, a transdução de informação dentro de redes quânticas é igualmente crucial para materializar o potencial desta nova tecnologia.
Atendendo a essa necessidade, uma equipe de pesquisa do Centro Helmholtz Dresden-Rossendorf (HZDR) está agora a introduzir uma nova abordagem para transduzir informação quântica: a equipa manipulou bits quânticos, os chamados qubits, aproveitando o campo magnético dos magnões – excitações semelhantes a ondas num material magnético – que ocorrem dentro de discos magnéticos microscópicos. Os pesquisadores apresentaram seus resultados na revista Avanços da Ciência.
Desafios na tecnologia quântica
A construção de um computador quântico universal e programável permanece como um dos empreendimentos científicos e de engenharia mais desafiadores do nosso tempo. A realização de tal computador apresenta grande potencial para diversos campos da indústria, como logística, finanças e farmacêutica. Porém, a construção de um computador quântico prático tem sido dificultada pela fragilidade intrínseca de como a informação é armazenada e processada nesta tecnologia. A informação quântica é codificada em qubits, que são extremamente suscetíveis ao ruído do seu ambiente. Pequenas flutuações térmicas, uma fração de grau, poderiam atrapalhar totalmente o cálculo.
Isto levou os investigadores a distribuir as funcionalidades dos computadores quânticos entre blocos de construção distintos e separados, num esforço para reduzir as taxas de erro e aproveitar as vantagens complementares dos seus constituintes. “No entanto, isso coloca o problema de transferir a informação quântica entre os módulos de forma que a informação não desapareça”, diz o pesquisador do HZDR Mauricio Bejarano, primeiro autor da publicação. “Nossa pesquisa reside justamente neste nicho específico, transduzindo a comunicação entre módulos quânticos distintos.”
Comunicação Quântica Avançada
O método atualmente estabelecido para transferir informações quânticas e endereçar qubits é através de antenas de micro-ondas. Esta é a abordagem utilizada pela Google e pela IBM nos seus chips supercondutores, a plataforma tecnológica que está na vanguarda desta corrida quântica. “Nós, por outro lado, abordamos os qubits com magnons”, diz o físico do HZDR Helmut Schultheiß, que supervisionou o trabalho
“Estas podem ser consideradas ondas de excitação magnética que passam através de um material magnético. A vantagem aqui é que o comprimento de onda dos magnons está na faixa micrométrica e é significativamente mais curto do que as ondas centimétricas da tecnologia convencional de microondas. Consequentemente, a pegada de micro-ondas dos magnons custa menos espaço no chip.”
Divisor de frequência sofisticado
O grupo HZDR investigou a interação de magnons e qubits formados por vagas de átomos de silício na estrutura cristalina do carboneto de silício, material comumente usado em eletrônica de alta potência. Esses tipos de qubits são normalmente chamados de qubits de spin, visto que a informação quântica é codificada no estado de spin da vacância. Mas como os magnons podem ser utilizados para controlar esses tipos de qubits?
“Normalmente, os magnons são gerados com antenas de micro-ondas. Isso coloca o problema de ser muito difícil separar o acionamento de micro-ondas que vem da antena daquele que vem dos magnons”, explica Bejarano.
Para isolar as microondas dos magnons, a equipe do HZDR usou um fenômeno magnético exótico observável em discos magnéticos microscópicos de níquel-ferro. Liga. “Devido a um processo não linear, alguns magnons dentro do disco possuem uma frequência muito mais baixa do que a frequência de acionamento da antena. Manipulamos qubits apenas com esses magnons de frequência mais baixa.” A equipe de pesquisa enfatiza que ainda não realizou nenhum cálculo quântico. No entanto, eles mostraram que é fundamentalmente viável abordar qubits exclusivamente com magnons.
Aproveitando o poder Magnon
“Até o momento, a comunidade de engenharia quântica ainda não percebeu que os magnons podem ser usados para controlar qubits”, salienta Schulheiß. “Mas as nossas experiências demonstram que estas ondas magnéticas podem realmente ser úteis.” Para desenvolver ainda mais a sua abordagem, a equipa já está a preparar os seus planos futuros: eles querem tentar controlar vários qubits individuais próximos, de tal forma que os magnões medeiam o seu processo de emaranhamento – um pré-requisito para a realização de cálculos quânticos.
Sua visão é que, no longo prazo, os magnons poderiam ser excitados por correntes elétricas diretas com tal precisão que eles abordariam específica e exclusivamente um único qubit em uma série de qubits. Isso tornaria possível usar magnons como um barramento quântico programável para endereçar qubits de maneira extremamente eficaz. Embora haja muito trabalho pela frente, a pesquisa do grupo destaca que a combinação de sistemas magnônicos com tecnologias quânticas poderia fornecer insights úteis para o desenvolvimento de um computador quântico prático no futuro.
Referência: “Transdução magnon paramétrica para spin qubits” por Maurice Bejarano, Francisco JT Gonçalves, Tony Hache, Michael Hollenbach, Christopher Heins, Tobias Hula, Lukas Körber, Jakob Heinze, Yonder Berencén, Manfred Helm, Jürgen Fassbender, Georgy V. Astakhov e Helmut Schultheiss, 20 de março de 2024, Avanços da Ciência.
DOI: 10.1126/sciadv.adi2042
