A entrada dos computadores quânticos na sociedade está atualmente dificultada pela sua sensibilidade a distúrbios no ambiente. Pesquisadores da Universidade de Chalmers, na Suécia, e das Universidades Aalto e de Helsinque, na Finlândia, apresentam agora um novo tipo de material quântico exótico e um método que utiliza o magnetismo para criar estabilidade. Essa descoberta pode tornar os computadores quânticos significativamente mais resilientes, abrindo caminho para que sejam robustos o suficiente para realizar cálculos quânticos na prática.
Em escala atômica, as leis da física se afastam daquelas de nosso mundo comum em grande escala. Ali, as partículas seguem as leis da física quântica, que permitem que existam em múltiplos estados simultaneamente e influenciem umas às outras de maneiras impossíveis na física clássica. Esses fenômenos peculiares, mas poderosos, são a chave para a computação quântica e os computadores quânticos, que têm o potencial de resolver problemas que nenhum supercomputador convencional consegue lidar atualmente.
Mas antes que os cálculos quânticos possam beneficiar a sociedade na prática, os físicos precisam resolver um grande desafio. Os qubits, as unidades básicas de um computador quântico, são extremamente delicados. A menor alteração na temperatura, campo magnético ou até mesmo vibrações microscópicas faz com que os qubits percam seus estados quânticos – e, portanto, também sua capacidade de realizar cálculos complexos de forma confiável.
Para resolver esse problema, pesquisadores nos últimos anos começaram a explorar a possibilidade de criar materiais que possam fornecer melhor proteção contra esses tipos de distúrbios e ruídos em sua estrutura fundamental – sua topologia. Os estados quânticos que surgem e são mantidos através da estrutura do material usado nos qubits são chamados de exitações topológicas e são significativamente mais estáveis e resilientes do que outros. No entanto, o desafio continua sendo encontrar materiais que suportem naturalmente tais estados quânticos robustos.
Novo material desenvolvido protege contra distúrbios
Agora, uma equipe de pesquisa das Universidades de Chalmers, Aalto e Helsinque desenvolveu um novo material quântico para qubits que exibe excitações topológicas robustas. Essa descoberta é um passo importante rumo à realização da computação quântica topológica prática, construindo estabilidade diretamente no design do material.
“Este é um tipo completamente novo de material quântico exótico que pode manter suas propriedades quânticas quando exposto a distúrbios externos. Ele pode contribuir para o desenvolvimento de computadores quânticos robustos o suficiente para realizar cálculos quânticos na prática,” afirma Guangze Chen, pesquisador de pós-doutorado em física quântica aplicada na Chalmers e autor principal do estudo publicado na Physical Review Letters.
‘Materiais quânticos exóticos’ é um termo guarda-chuva que abrange várias classes novas de sólidos com propriedades quânticas extremas. A busca por tais materiais, com propriedades especiais de resiliência, tem sido um desafio de longa data.
O magnetismo é a chave na nova estratégia
Tradicionalmente, os pesquisadores seguiram uma ‘receita’ bem estabelecida baseada no acoplamento spin-órbita, uma interação quântica que liga o spin do elétron ao seu movimento orbital ao redor do núcleo atômico para criar excitações topológicas. No entanto, esse ‘ingrediente’ é relativamente raro, e o método, portanto, só pode ser aplicado a um número limitado de materiais.
No estudo, a equipe de pesquisa apresenta um método completamente novo que utiliza o magnetismo – um ingrediente muito mais comum e acessível – para alcançar o mesmo efeito. Ao aproveitar interações magnéticas, os pesquisadores conseguiram criar as excitações topológicas robustas necessárias para a computação quântica topológica.
“A vantagem do nosso método é que o magnetismo existe naturalmente em muitos materiais. Você pode comparar isso a cozinhar com ingredientes do dia a dia, em vez de usar especiarias raras,” explica Guangze Chen. “Isso significa que agora podemos buscar propriedades topológicas em um espectro muito mais amplo de materiais, incluindo aqueles que foram previamente negligenciados.”
Abrindo caminho para plataformas de computadores quânticos de próxima geração
Para acelerar a descoberta de novos materiais com propriedades topológicas úteis, a equipe de pesquisa também desenvolveu uma nova ferramenta computacional. A ferramenta pode calcular diretamente a força com que um material exibe comportamento topológico.
“Nossa esperança é que essa abordagem possa ajudar a orientar a descoberta de muitos mais materiais exóticos,” diz Guangze Chen. “Em última análise, isso pode levar a plataformas de computadores quânticos de próxima geração, construídas com materiais que são naturalmente resistentes aos tipos de distúrbios que afligem os sistemas atuais.”
