O reino instável da computação quântica acaba de receber um golpe de precisão vindo dos laboratórios suíços. Pesquisadores do ETH Zurich ergueram uma porta quântica de troca que operou com 99,91% de fidelidade em impressionantes 17 mil pares de qubits simultaneamente.
A computação quântica promete resolver enigmas que escapam até mesmo aos mais velozes supercomputadores clássicos. No entanto, a extrema fragilidade dos sistemas quânticos frente a ruídos, vibrações e flutuações magnéticas sempre representou uma barreira monumental.
Diferentes arquiteturas de qubits foram exploradas ao longo dos anos, desde circuitos supercondutores até íons aprisionados. Nos últimos tempos, os átomos neutros emergiram como uma alternativa robusta, livres de carga elétrica e capazes de serem confinados aos milhares em intricadas redes ópticas de luz laser.
As portas quânticas tradicionais em átomos neutros dependiam muitas vezes de efeitos de tunelamento ou de estados atômicos altamente excitados, exigindo controle absoluto e sofrendo com erros minúsculos. A equipe de Zurique, porém, recorreu a uma fase geométrica, um fenômeno que depende mais do caminho percorrido pelo sistema quântico do que da velocidade ou intensidade exatas do processo.
O pós-doutorando Yann Kiefer, do ETH Zurich, relembrou que ‘há alguns anos, pesquisadores conseguiram realizar tais portas usando átomos neutros em seu estado de energia mais baixo, mas ainda explorando fases dinâmicas devido a tunelamentos e colisões’. Kiefer destacou que a nova abordagem geométrica oferece uma proteção natural contra flutuações porque a fase adquirida é amplamente independente da velocidade de manipulação dos átomos.
Para construir a porta, os cientistas resfriaram átomos de potássio a temperaturas ultrabaixas e os aprisionaram em padrões de luz conhecidos como redes ópticas. Em seguida, guiaram pares de átomos a uma proximidade tal que suas funções de onda se sobrepunham, criando estados ‘doublon’ temporários que geravam a fase geométrica desejada.
Uma porta de troca executa a tarefa simples, porém vital, de inverter os estados de dois qubits, essencial para movimentar informação em processadores quânticos extensos. No experimento, a fase geométrica foi gerada de forma puramente geométrica, praticamente imune às variações de intensidade do laser ou da velocidade dos átomos.
O líder júnior do grupo experimental, Konrad Viebahn, enfatizou que ‘diferentemente das fases dinâmicas, esta fase geométrica é amplamente independente da velocidade com que manipulamos os átomos ou do quanto a intensidade do laser flutua durante o processo’. A robustez resultante significa que a porta pode resistir a perturbações que arruinariam outras implementações.
O teste massivo envolveu mais de 58 mil átomos de potássio-40, dos quais cerca de 60% a 70% formaram pares utilizáveis, totalizando mais de 17 mil portas atuando simultaneamente em menos de um milissegundo. Os detalhes do experimento foram publicados na revista Nature e a cobertura do The Brighter Side of News descreveu como as medições revelaram uma fidelidade corrigida de 99,91%, um índice de confiabilidade extremamente elevado.
Para verificar o funcionamento, a equipe estudou oscilações entre estados quânticos singleto e tripleto. Após aplicar a porta de troca, a mudança de fase prevista foi observada sem perda de força oscilatória, confirmando que o comportamento seguiu exatamente as predições.
Os pesquisadores também testaram a resiliência do sistema introduzindo deliberadamente ruído no potencial da rede óptica. A porta permaneceu estável mesmo sob flutuações significativas de tunelamento, só começando a perder precisão quando o ruído ultrapassava limiares bastante elevados.
Ademais, o time não se limitou às operações de troca comuns e demonstrou ‘meias-trocas’ que geram entrelaçamento quântico por meio de colisões controladas. Essas operações de entrelaçamento também sustentaram altas fidelidades, superando em alguns casos significativamente os métodos baseados em interações de supertroca.
O professor Tilman Esslinger, que lidera o laboratório no ETH Zurich, reconheceu que ‘agora podemos fazer muitas portas de troca com átomos neutros’. Esslinger ponderou, contudo, que ‘ainda precisamos de alguns outros ingredientes para construir um computador quântico funcional’.
O próximo passo ambicionado pela equipe é integrar as portas de troca a um microscópio de gás quântico, que permite visualizar e manipular átomos individuais diretamente. Com essa capacidade, seria possível direcionar operações a pares de qubits específicos, em vez de aplicar comandos globais sobre toda a matriz.
Os princípios geométricos subjacentes podem beneficiar além dos átomos neutros, estendendo-se a qubits de spin em semicondutores e a arranjos de átomos de Rydberg. A escalabilidade demonstrada, com mais de 17 mil pares operacionais, sugere que sistemas de átomos neutros podem atingir tamanhos suficientemente grandes para resolver problemas complexos de medicina, clima e engenharia.
Em vez de lutar contra as estranhas regras da mecânica quântica, os pesquisadores as transformaram em aliadas, utilizando simetria, geometria e estatística fermiônica como ferramentas práticas. Esta mudança de perspectiva pode reduzir drasticamente a demanda por correção de erros, um dos maiores entraves para a construção de máquinas quânticas tolerantes a falhas.
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