Neste canal duplo, os elétrons (em azul) movem-se por caminhos paralelos definidos - apenas um único elétron se encaixa de cada vez. Por meio do acoplamento por tunelamento, o elétron pode alternar entre os canais, ocupando assim dois estados diferentes, que são denotados por "seta para cima" e "seta para baixo". O elétron praticamente voa em ambas as faixas ao mesmo tempo - uma sobreposição de estados.
[Imagem: Andreas Wieck]
Qubits semicondutores
O alfabeto do processamento e da transmissão digital de dados - até agora composto de 0s e 1s, está crescendo: uma equipe internacional de pesquisadores acaba de gerar "qubits voadores", capazes de bem mais do que isso.
O novo tipo de bit, baseado em elétrons individuais, permite a definição de bem mais do que dois estados.
Isto não parece uma novidade para quem acompanha as promessas da computação quântica, e mesmo da spintrônica. Ocorre que, até agora, os bits quânticos vêm sendo testados sobretudo em câmaras de vácuo relativamente grandes.
Os qubits voadores, por sua vez, foram agora demonstrados em semicondutores, o mesmo material usado nos computadores atuais.
O Dr. Andreas Wieck, da Universidade de Ruhr, na Alemanha, já havia previsto teoricamente os qubits voadores há 22 anos.
Agora ele chefiou o grupo que os demonstrou na prática.
Além do caminho do meio
Um bit quântico corresponde a um único elétron em um estado particular - e um elétron tem muito mais propriedades do que sua carga elétrica, usada para diferenciar os valores 0 e 1 dos bits eletrônicos.
Baseando-se em um trabalho anterior, quando jogaram pingue-pongue com elétrons, Wieck e seus colegas usaram como forma de codificação de informação as trajetórias de um elétron através de dois canais muitos próximos um do outro.
Em princípio, são possíveis dois estados diferentes: ou o elétron se move no canal superior ou no canal inferior - com o que se voltaria a um sistema binário tradicional.
Segundo a teoria quântica, no entanto, uma partícula pode estar em vários estados simultaneamente, isto é, ela pode virtualmente voar através dos dois canais ao mesmo tempo.
São esses estados de superposição que podem ampliar o alfabeto do processamento de dados.
Receita para qubits
A fim de gerar bits quânticos com diferentes estados, os pesquisadores permitiram que elétrons individuais interferissem uns com os outros.
Isso funciona com o chamado efeito Bohm-Aharonov: alimentados por uma tensão externa, os elétrons disparam através de um semicondutor sólido - sobre Bohm e Aharonov, veja O futuro do Universo pode estar influenciando o presente e Medição fraca balança interpretações da mecânica quântica.
Dentro desse sólido, a trajetória dos elétrons é primeiro bifurcada e, em seguida, reunificada. Assim, cada elétron voa simultaneamente nos dois caminhos possíveis, como no velho experimento da fenda dupla.
Quando os dois caminhos se reúnem novamente, há uma interferência, ou seja, as duas ondas de elétrons se sobrepõem, gerando bits quânticos com diferentes estados de sobreposição.
Controlando os elétrons
Normalmente, um elétron-onda se move através de um corpo sólido em muitos caminhos diferentes ao mesmo tempo.
Devido às impurezas no material, ele perde a sua informação de fase e, assim, a sua capacidade para codificar um estado em particular.
Para manter a informação de fase, os cientistas cultivaram um cristal de arseneto de gálio de alta pureza, e fizeram nele o canal duplo proposto por Wieck mais de 20 anos atrás.
Percorrendo os canais, os elétrons chegam até uma encruzilhada.
Eles ficam então acoplados uns com os outros (túnel-acoplamento), de modo que o elétron voa simultaneamente em dois caminhos diferentes. As fases das ondas-elétrons são mantidas por esse acoplamento.
O mesmo canal duplo foi também usado pela equipe depois que as ondas de elétrons foram reunidas no final do entroncamento.
Deste modo, eles geraram bits quânticos com estados claros, adequados para a codificação de informação.
"Infelizmente, nem todos os elétrons tomam parte neste processo, até agora é apenas uma pequena porcentagem," comentou Wieck. "Alguns alunos do meu departamento, no entanto, já estão trabalhando no crescimento de cristais com maiores densidades de elétrons".
Artigo: Electrical control of a solid-state flying qubit
Autores: Michihisa Yamamoto, Shintaro Takada, Christopher Bäuerle, Kenta Watanabe, Andreas D. Wieck, Seigo Tarucha