Para criar grandes redes quânticas, os pesquisadores primeiro precisam desenvolver repetidores quânticos eficientes. Um componente chave desses repetidores são as memórias quânticas, que são os equivalentes da mecânica quântica das memórias de computador mais convencionais, como as memórias de acesso aleatório (RAM).

Idealmente, uma memória quântica deve ser capaz de reter informações por períodos substanciais de tempo, armazenar estados quânticos verdadeiros, ler dados de maneira eficiente e operar com comprimentos de onda de telecomunicações de baixa perda. Embora as equipes de pesquisa tenham feito grandes progressos no desenvolvimento de memórias quânticas, nenhuma solução proposta até agora conseguiu atender a todos esses requisitos simultaneamente.

Com isso em mente, os pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Delft (TU Delft) decidiram desenvolver uma nova memória quântica mecânica com tempos de armazenamento suficientemente longos, uma alta eficiência de leitura e a capacidade de operar em comprimentos de onda de telecomunicações. A memória que eles inventaram, apresentada em um artigo publicado na Nature Physics, poderia, finalmente, permitir a implementação prática de sistemas mecânicos com efeitos quânticos desenvolvidos em seus trabalhos anteriores.

“Estamos trabalhando para mostrar os efeitos quânticos dos sistemas mecânicos há alguns anos e tivemos muito sucesso na realização de vários estados quânticos, por isso os pressionamos na direção do processamento de informações quânticas”, Simon Gröblacher, professor da TU Delft, cujo grupo de pesquisa realizou o estudo. “Para usar alguns desses dispositivos para o processamento de informações quânticas, no entanto, um punho precisa mostrar que eles podem ser usados ​​para construir um repetidor quântico e o principal componente de um repetidor quântico é a memória quântica”.

Quando começaram a trabalhar em sua memória quântica, Gröblacher e seus colegas estavam cientes de que os ressonadores mecânicos por trás de alguns de seus dispositivos podiam suportar vidas muito longas. Eles, portanto, queriam testá-los para ver quais tempos de armazenamento podiam suportar, enquanto também investigavam sua coerência (ou seja, com que rapidez eles se desintegrariam).

“Projetamos um sistema com vida útil de alguns milissegundos, com base em nosso trabalho anterior, depois o testamos e descobrimos que seu tempo de armazenamento era de cerca de dois milissegundos”, disse Gröblacher. “Como um segundo passo, tivemos que verificar se os estados quânticos e suas informações de fase foram preservados ao longo desse tempo. Para isso, criamos uma superposição do sistema mecânico e analisamos como a fase na superposição evoluiria ao longo do tempo”.

Quando os pesquisadores avaliaram sua memória quântica pela primeira vez, eles descobriram que seu estado de superposição decaiu mais rapidamente do que a vida útil em geral. Isso estava longe de ser um resultado surpreendente, pois muitos sistemas desenvolvidos anteriormente apresentaram o mesmo padrão de decaimento. Gröblacher e seus colegas se propuseram a explorar mais essa descoberta, a fim de entender melhor os mecanismos por trás desse curto tempo de decoerência.

“O objetivo geral do nosso estudo era mostrar que a mecânica pode de fato ser usada como memória quântica e conseguimos isso”, afirmou Gröblacher. “Notavelmente, é a primeira vez que alguém mostra isso.”

A memória quântica criada por Gröblacher e seus colegas tem várias características vantajosas. Uma das principais é que ela é totalmente projetável, o que significa que os comprimentos de onda ópticos nos quais opera são selecionáveis, pois as ressonâncias ópticas e mecânicas do sistema são totalmente artificiais. Os pesquisadores os projetaram usando um computador e depois fabricaram o dispositivo de acordo.

“Muitos sistemas quânticos normalmente usam ressonância natural, como uma ressonância atômica ou de terras raras, que os liga a certos comprimentos de onda”, disse Gröblacher. “O nosso, por outro lado, é totalmente projetado, para que possamos escolher onde trabalhar. Em nosso estudo, escolhemos 1550 nanômetros, pois queríamos que nosso sistema funcionasse no comprimento de onda da banda de telecomunicações de baixa perda”.

Enquanto muitas memórias quânticas desenvolvidas anteriormente obtiveram resultados promissores, muito poucas foram capazes de operar com comprimentos de onda de telecomunicações (cerca de 1550 nanômetros), que são essencialmente os comprimentos de onda em que todas as telecomunicações ocorrem em longas distâncias. Além disso, as memórias que eram capazes de operar nesses comprimentos de onda eram muito complexas ou tinham vidas extremamente curtas.

“Conseguimos mostrar que nossa memória tem uma vida útil e coerência satisfatórias, enquanto criamos com êxito o estado de superposição”, disse Gröblacher. “Outros sistemas existentes com estados de superposição da mecânica foram muito diferentes e fomos os primeiros a atender aos principais requisitos de memória quântica com um sistema opto-mecânico”.

A memória quântica criada por Gröblacher e seus colegas ainda é uma prova de conceito, mas seu desempenho é muito promissor. Em seus estudos futuros, os pesquisadores gostariam de entender melhor por que a eliminação gradual de um estado quântico acontece mais rapidamente que sua vida útil, a fim de mitigar esse efeito.

“Gostaríamos de descobrir como evitar uma coerência tão curta, talvez através de um design diferente que possa ajudar a nossa compreensão dos mecanismos microscópicos subjacentes”, disse Gröblacher. “Além disso, planejamos aumentar a eficiência geral de nossa memória (ou seja, com que eficiência ela pode escrever e ler um estado)”.

Nos próximos anos, Gröblacher e seus colegas esperam poder melhorar ainda mais o desempenho de sua memória quântica para facilitar sua implementação prática. Além disso, o esquema óptico que eles propuseram poderia inspirar o desenvolvimento de outros componentes da memória quântica. O objetivo final dos pesquisadores é usar a memória quântica que eles criaram para permitir grandes redes quânticas.

“A principal aplicação para a nossa memória seria como parte de uma rede quântica ou repetidor quântico”, disse Gröblacher. “Sua mecânica poderia atuar como um elemento de memória que permite conexões com outros sistemas quânticos, como qubits supercondutores, que são muito bons para realizar processamento de computação quântica. Acreditamos que seria muito interessante usar nosso sistema como um sistema quântico híbrido”.

Fonte: EngenhariaE