A computação quântica pode ser reforçada por elétrons semelhantes a líquidos

Outro dia, outro avanço emocionante para a computação quântica.

O campo da computação quântica pode ter acabado de receber um impulso de coerência e prevenção de erros na forma de parafermions: elétrons agrupados que se comportam como líquidos em um estado especial da matéria. Cientistas da Universidade Técnica de Nanyang em Cingapura demonstraram resultados experimentais que esperam levar a parafermions quando os elétrons mantêm temperaturas próximas do zero absoluto (-273 graus Celsius). A pesquisa alcançou um avanço ao demonstrar que existem condições nas quais os elétrons podem ter interações fortes – algo que os cientistas apenas teorizaram até agora.

O movimento ordenado dos elétrons resulta no que conhecemos como eletricidade. No entanto, mesmo quando os elétrons estão se movendo nesse padrão “ordenado”, na verdade eles não estão. Por serem carregados negativamente, os elétrons se repelem, tendendo a se mover individualmente e ao acaso em diferentes direções (como um gás) em vez de como um todo coeso. Eles são semelhantes aos "motoristas deficientes": eles podem chegar ao seu destino com alguns “solavancos” ao longo do caminho. Mas quando os elétrons se comportam como um líquido, é como trocar os condutores deficientes por outros ordenados; motoristas que conhecem e respeitam os limites, velocidade e direção de cada um para reduzir conflitos e chegar melhor ao seu destino.

É claro que drivers como esses são objeto de muito pensamento teórico, mas as interações eletrônicas fortes pelo menos agora foram comprovadas experimentalmente.

Quando os elétrons são feitos para agir no que é conhecido como “líquido helicoidal de Tomonaga-Luttinger”, há menos interações de partículas e troca de energia entre eles e o sistema. Isso, por sua vez, diminui a quantidade de interferência sistêmica e ambiental que muitas vezes é a causa de erros e estados quânticos colapsados ​​em sistemas quânticos. O resfriamento prévio dos elétrons até próximo do zero absoluto também é um elemento essencial, pois permite que certos materiais atinjam o estado de supercondutor, onde os elétrons percorrem sua superfície sem qualquer resistência elétrica, reduzindo ainda mais os possíveis elementos de interferência ambiental. O sistema sendo resfriado até o zero absoluto (no experimento, até 4,5 Kelvin ou -269 graus Celsius) força as partículas a desacelerar para que elas quase se tornem imóveis.

Os elétrons (e sua propriedade de spin) têm sido usados ​​como partículas quânticas programáveis ​​há algum tempo. Como tal, melhorias no controle de elétrons que levam a menos distúrbios significam menos erros e maior coerência, o que significa vida mais longa para os qubits reais que podem armazenar ou processar informações. De fato, certos sistemas quânticos (como o Quantum One e o Quantum Two da IBM) já fazem uso de qubits supercondutores.

Nesse caso, os cientistas usaram um substrato de grafeno com a espessura de um átomo onde depositaram cristais de ditelureto de tungstênio com a espessura de um átomo: um material quase bidimensional conhecido como “isolador Hall de spin quântico”, que isola a gravidade em seu interior, mas apresenta elétrons na superfície de fora. Depois de juntar o substrato de grafeno/ditelureto de tungstênio e resfriá-lo até o zero absoluto, a equipe de pesquisa o colocou sob um microscópio de tunelamento que ficava a apenas um nanômetro de sua superfície: menor que uma fita de DNA e menor que qualquer transistor já fabricado (mesmo quando olhando para aqueles que alimentam as melhores placas gráficas mais recentes).

Quando colocados sob o microscópio de tunelamento de varredura e resfriados a zero absoluto, os pesquisadores notaram que os elétrons no substrato de grafeno/tungstênio aumentaram sua repulsão. Sua repulsão era tão forte que os elétrons foram forçados a se mover coletivamente devido à interação entre o campo de repulsão de cada elétron. Os pesquisadores registraram um parâmetro de Luttinger dentro de um intervalo de 0,21 a 0,33. Este parâmetro representa a força das interações entre as partículas; quando atinge 1, as interações são mais fracas.

“Quando o parâmetro de Luttinger é inferior a 0,5, as interações são fortes e os elétrons são forçados a um movimento coletivo. Este é o reino onde se prevê que existam parafermions”, disse o professor assistente Weber. “Esta é uma faixa de variação verdadeiramente notável, já que o parâmetro Luttinger só pode variar entre 0 e 1”, continuou ele. “O controle do parâmetro Luttinger em valores tão baixos nunca foi observado antes em nenhum líquido helicoidal Tomonaga-Luttinger.”

A equipe agora planeja reduzir ainda mais as temperaturas, aproveitando o novo Laboratório de Vibração Ultrabaixa da NTU Cingapura, que foi construído no início deste ano. O laboratório permitirá que experimentos sejam feitos em temperaturas ainda mais baixas de 150 milikelvins (mK) – ainda mais próximas do zero absoluto, o que deve permitir que os pesquisadores vejam uma repulsão mais forte entre os elétrons e o testemunho real de agrupamentos de parafermions.

Curiosamente, parece que a abordagem dos pesquisadores está um pouco conectada com a própria corrida da Microsoft para implementar os chamados qubits topológicos e seus modos Majorana necessários (e ainda ausentes em ação).