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
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.
Por que o hélio-3 pode ser útil em um computador quântico?
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.
Como as pinças ópticas prenderiam átomos tão pequenos?
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.
- Átomos Individuais Aprisionados;
- Pinças Ópticas Programáveis;
- Estados Metaestáveis De Longa Duração;
- Interações Controladas Por Laser;
- Movimento Atômico Como Recurso Quântico.
Este vídeo mostra como átomos neutros presos por pinças ópticas podem funcionar como componentes de processadores quânticos.
Por que o hélio-3 consegue tunelar mais rapidamente?
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.
O que torna essa proposta diferente de outros computadores quânticos?
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. Os autores descrevem maneiras de codificar e manipular qubits diretamente nos níveis de movimento criados pelo potencial das pinças.
No artigo publicado na PRX Quantum, a equipe também analisa interações mediadas por estados de Rydberg, transporte dos átomos e aplicações em simulações fermônicas. Entre as possibilidades teóricas estão química quântica e teorias de calibre em rede, mas isso ainda não significa que uma máquina funcional com hélio-3 tenha sido construída.
Quais vantagens o hélio-3 poderia oferecer à arquitetura?
A combinação de baixa massa, estatística fermônica e estrutura energética favorável cria características incomuns. Além de acelerar o tunelamento, átomos leves podem ser transportados mais rapidamente pelas pinças, enquanto seus estados de movimento oferecem graus adicionais de liberdade para codificação e processamento de informação.
Os pesquisadores também propõem usar interações de Rydberg para implementar operações entre átomos. Essas interações já são exploradas em outras plataformas de átomos neutros, mas sua combinação com movimento rápido e tunelamento de hélio-3 pode tornar algumas simulações mais eficientes em quantidade de recursos físicos.
| Característica | Papel proposto |
|---|---|
| Baixa massa | Tunelamento e transporte mais rápidos |
| Férmion | Simulação natural de sistemas fermônicos |
| Estado metaestável | Facilita resfriamento e controle óptico |
| Movimento | Pode armazenar e manipular qubits |
Quando um computador quântico de hélio poderá existir?
Por enquanto, o trabalho apresenta um projeto teórico detalhado, não um computador pronto. A equipe liderada por Jacob Covey trabalha com Zoe Yan para tentar aprisionar e controlar átomos individuais de hélio em pinças ópticas. Os pesquisadores planejam começar os testes experimentais com hélio-4 antes de avançar para o hélio-3, que é caro e mais difícil de obter.
Os autores estimam que o primeiro aprisionamento individual nessa plataforma possa ocorrer nos próximos anos, mas não oferecem prazo para um computador completo. O valor imediato do estudo está em mostrar que a pequena massa atômica, geralmente vista apenas como propriedade física, pode ser transformada em recurso para operações quânticas mais rápidas.
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