Hélio, o átomo mais leve que pode ser preso com a tecnologia atual, virou a base de um novo conceito de computador quântico

Arquitetura propõe explorar a baixa massa do isótopo para acelerar tunelamento, transporte e operações quânticas com átomos neutros

Whastapp Facebook Linkedin Twitter COMPARTILHAR A massa extremamente pequena do hélio-3 pode se tornar uma vantagem inesperada na computação quântica. Pesquisadores liderados pela Universidade de Chicago propuseram uma arquitetura que usa átomos individuais desse isótopo, mantidos em estado metaestável e capturados por pinças ópticas programáveis. Publicado na PRX Quantum , o trabalho prevê tunelamento entre armadilhas pelo menos três vezes mais rápido que em demonstrações com lítio-6, além de novas formas de codificar e movimentar informação quântica.

O hélio é o segundo elemento mais leve, atrás apenas do hidrogênio. Segundo os autores, o hélio metaestável é atualmente a espécie atômica mais leve que pode ser resfriada a laser e aprisionada de maneira adequada para esse tipo de experimento. Quanto menor a massa, menor a inércia e mais facilmente o movimento do átomo pode participar das operações quânticas.

O projeto utiliza especificamente hélio-3, formado por dois prótons e um nêutron. Diferentemente do hélio-4, o isótopo é um férmion, propriedade importante para simulações de sistemas constituídos por partículas que obedecem à estatística de Fermi-Dirac, como os elétrons. Isso permite representar determinados problemas físicos de maneira mais direta.

Pinças ópticas são feixes de laser fortemente focalizados que criam potenciais capazes de confinar átomos individuais. Várias dessas armadilhas podem formar matrizes reconfiguráveis, permitindo posicionar, reorganizar e transportar os átomos. Em plataformas quânticas, cada átomo pode carregar informação enquanto interage com outros átomos controlados por lasers.

O hélio comum em seu estado fundamental seria difícil de manipular dessa maneira por exigir transições de energia muito altas. A proposta explora hélio em um estado metaestável de longa duração, que facilita o resfriamento e o controle óptico necessários para construir as matrizes consideradas pelos pesquisadores.

Este vídeo mostra como átomos neutros presos por pinças ópticas podem funcionar como componentes de processadores quânticos.

No tunelamento quântico, uma partícula apresenta probabilidade de atravessar uma barreira de potencial que seria proibitiva pela física clássica. Em matrizes de pinças ópticas próximas, esse efeito pode permitir que um átomo passe coerentemente de uma armadilha para outra. A massa exerce influência direta sobre a taxa desse processo.

Os cálculos da equipe indicam que o tunelamento entre pinças com hélio-3 pode ser pelo menos três vezes mais rápido que taxas já demonstradas experimentalmente com lítio-6. Essa velocidade pode beneficiar transporte de informação, operações baseadas no movimento e simulações nas quais partículas precisam saltar entre posições de uma rede artificial.

Muitas arquiteturas de átomos neutros armazenam qubits principalmente em estados eletrônicos ou internos dos átomos. A nova proposta acrescenta o próprio movimento na armadilha como recurso computacional.