Com a participação de cientistas da UFSCar, o estudo poderá colaborar para o aprimoramento da computação quântica, sensores, relógios atômicos e inspirar novas investigações sobre os mistérios da matéria
O professor Celso Jorge Villas-Boas, docente do Departamento de Física do Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia da Universidade Federal de São Carlos (CCET/UFSCar) e o seu então aluno de doutorado Murilo Henrique de Oliveira participaram de importante pesquisa na Universidade de Estocolmo, na Suécia. Essa pesquisa resultou na descoberta de um método inovador que pode revolucionar a computação quântica de íons aprisionados, tornando o sistema muito mais rápido e confiável.
O estudo “Single-Shot Measurements of Phonon Number States Using the Autler-Townes Effect” foi publicado no dia 28 de novembro de 2023 na revista Physical Review Letters e contou com a participação do Prof. Markus Hennrich e a doutoranda Marion Mallweger, do Departamento de Física da Universidade de Estocolmo, entre outros pesquisadores.
A equipe de pesquisadores descobriu uma forma de se medir o estado quântico vibracional de íons aprisionados de uma forma muito mais simples que a utilizada atualmente. Enquanto hoje as medições são realizadas a partir do monitoramento das oscilações de Rabi do íon, exigindo, portanto, a realização de várias medidas em diferentes tempos e de forma destrutiva, os cientistas agora conseguem obter uma detecção do estado vibracional em apenas uma única vez e com altíssima precisão.
Villas-Boas explica que, de forma simplificada, poderia se imaginar a armadilha de íons como uma massa acoplada a uma mola, no qual a partícula se movimenta de um lado para o outro, em um movimento harmônico. Esse movimento oscilatório seria análogo ao executado pelo íon na armadilha eletromagnética. No entanto, o sistema opera em um regime em que os efeitos quânticos são predominantes, de modo que a partícula (o íon) só pode trocar quantidades específicas de energia vibracional, os chamados fônons do sistema. Além desse grau de liberdade vibracional, outra propriedade quântica da partícula são os níveis de energia eletrônicos. A informação quântica da partícula pode então ser codificada tanto nos estados eletrônicos quanto nos estados vibracionais da partícula.
A partir do efeito Autler-Townes, que amplia o espaçamento entre os níveis eletrônicos da partícula a partir da aplicação de um laser sobre ela, os pesquisadores descobriram um meio de conseguir saber o estado vibracional exato da partícula (número de fônons) medindo-se apenas o espaçamento entre os níveis eletrônicos, e ainda com a vantagem de não alterar o seu estado vibracional. “Antes era preciso fazer uma evolução temporal para descobrir a oscilação do sistema, para então podermos descobrir o estado quântico do íon. Por outro lado, o nosso esquema mede diretamente qual é o estado quântico vibracional, eliminando a necessidade de se fazer centenas de medições para se conhecer seu estado. Isso naturalmente traz grandes benefícios para a computação quântica, uma vez que simplifica o processo de aquisição de informações do sistema quântico”, explica o professor da UFSCar. O método permitirá também o aprimoramento de sensores, relógios atômicos e pode inspirar ainda novas aplicações.
Nesse tipo de computação quântica, íons são aprisionados em uma armadilha eletromagnética, sistema que ainda não existe em nenhum laboratório brasileiro, mas que Villas-Boas defende o seu uso o mais rápido possível no País. Nesse sistema, cada íon aprisionado funciona como um qubit, a unidade básica de processamento da computação quântica. Na computação quântica, o grande desafio é desenvolver sistemas capazes de reduzir os erros, para ampliar a confiabilidade dos resultados. O processamento de informação em computadores quânticos exige altíssima precisão nas operações lógicas, pois mesmos erros muito pequenos já são suficientes para prejudicar todo o processamento, por conta da propagação do erro. Por exemplo, erros da ordem de 0,1% em cada operação já fazem com que, ao final da execução de algumas milhares ou milhões de operações, tenhamos apenas ruído ao invés da informação processada, como seria desejado.
O professor da UFSCar lembra que a pesquisa não seria possível sem o apoio do Programa CAPES-STINT (Swedish Foundation for International Cooperation in Research and Higher Education) e Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp). Foi por meio do CAPES-STINT que Oliveira, doutorando da UFSCar, passou um ano em Estocolmo, período no qual a pesquisa estava em franca expansão. Hoje, Oliveira atua em uma empresa de computação quântica na Alemanha.
(Colaborou Roger Marzochi)