Um chip semicondutor de processador quântico é conectado a uma placa de circuito no laboratório de física da Universidade de Rochester. John Nichol e Andrew Jordan, professores de física, estão explorando novas maneiras de criar interações quântico-mecânicas entre elétrons distantes, prometendo grandes avanços na computação quântica. Crédito: Universidade de Rochester / J. Adam Fenster

“Beam me up” é uma das frases de efeito mais famosas da série Star Trek. É o comando emitido quando um personagem deseja se teletransportar de um local remoto para a Starship Enterprise.

Embora o teletransporte humano exista apenas na ficção científica, o teletransporte é possível no mundo subatômico da mecânica quântica – embora não da maneira normalmente descrita na TV. No mundo quântico, o teletransporte envolve o transporte de informações, e não o transporte de matéria.

No ano passado, os cientistas confirmaram que as informações podiam ser passadas entre fótons em chips de computador, mesmo quando os fótons não estavam fisicamente ligados.

Agora, de acordo com novas pesquisas da Universidade de Rochester e da Universidade de Purdue, o teletransporte também pode ser possível entre elétrons.

Em um artigo publicado na Nature Communications e outro publicado na Physical Review X, os pesquisadores, incluindo John Nichol, professor de física em Rochester, e Andrew Jordan, professor de física da mesma universidade, exploram novas maneiras de criar mecânica quântica e interações entre elétrons distantes. A pesquisa é um passo importante na melhoria da computação quântica, que, por sua vez, tem o potencial de revolucionar a tecnologia, a medicina e a ciência, fornecendo processadores e sensores mais rápidos e eficientes.

‘Ação assustadora à distância’

O teletransporte quântico é uma demonstração do que Albert Einstein chamou de famosa “ação assustadora à distância” – também conhecida como entrelaçamento quântico. No entrelaçamento – um dos conceitos básicos da física quântica – as propriedades de uma partícula afetam as propriedades de outra, mesmo quando as partículas são separadas por uma grande distância. O teletransporte quântico envolve duas partículas distantes emaranhadas, nas quais o estado de uma terceira partícula “teleporta” instantaneamente seu estado para as duas partículas emaranhadas.

O teletransporte quântico é um meio importante para transmitir informações na computação quântica. Enquanto um computador típico consiste em bilhões de transistores, chamados bits, os computadores quânticos codificam informações em bits quânticos ou qubits. Um bit possui um único valor binário, que pode ser “0” ou “1”, mas os qubits podem ser “0” e “1” ao mesmo tempo. A capacidade de os qubits individuais ocuparem simultaneamente vários estados está subjacente ao grande poder potencial dos computadores quânticos.

Os cientistas demonstraram recentemente o teletransporte quântico usando fótons eletromagnéticos para criar pares de qubits emaranhados remotamente.

Qubits feitos de elétrons individuais, no entanto, também são promissores para a transmissão de informações em semicondutores.

“Elétrons individuais são qubits promissores porque interagem muito facilmente entre si, e qubits de elétrons individuais em semicondutores também são escaláveis”, diz Nichol. “A criação confiável de interações de longa distância entre elétrons é essencial para a computação quântica”.

A criação de pares emaranhados de qubits de elétrons que abrangem longas distâncias, o que é necessário para o teletransporte, provou ser um desafio: embora os fótons se propaguem naturalmente por longas distâncias, os elétrons geralmente ficam confinados em um único local.

Pares emaranhados de elétrons

Para demonstrar o teletransporte quântico usando elétrons, os pesquisadores utilizaram uma técnica recentemente desenvolvida, baseada nos princípios do acoplamento de troca Heisenberg. Um elétron individual é como um ímã de barra com um pólo norte e um pólo sul que podem apontar para cima ou para baixo. A direção do polo – se o polo norte está apontando para cima ou para baixo, por exemplo – é conhecida como momento magnético do elétron ou estado de rotação quântica. Se certos tipos de partículas têm o mesmo momento magnético, eles não podem estar no mesmo lugar ao mesmo tempo. Ou seja, dois elétrons no mesmo estado quântico não podem ficar em cima um do outro. Se o fizessem, seus estados se alternariam no tempo.

Os pesquisadores usaram a técnica para distribuir pares emaranhados de elétrons e teletransportar seus estados de rotação.

“Nós fornecemos evidências para ‘troca de emaranhamento’, na qual criamos emaranhamento entre dois elétrons, mesmo que as partículas nunca interajam, e ‘teletransporte de porta quântica’, uma técnica potencialmente útil para computação quântica usando teletransporte”, diz Nichol. “Nosso trabalho mostra que isso pode ser feito mesmo sem fótons”.

Os resultados abrem o caminho para futuras pesquisas sobre o teletransporte quântico envolvendo estados de spin de toda a matéria, não apenas fótons, e fornecem mais evidências para as capacidades surpreendentemente úteis de elétrons individuais em semicondutores de qubit.

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