Elétrons Levitando: Novos Candidatos a Qubits Ideais

O problema com os computadores quânticos não é provar sua viabilidade. O verdadeiro desafio está em escaloná-los. Isso é dificultado pelo grande tamanho físico dos qubits e pela dificuldade de controlá-los. O qubit ideal ainda não foi criado, mas candidatos estão surgindo com cada vez mais frequência.

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Arquiteturas tradicionais de qubits, como circuitos supercondutores ou armadilhas de íons, são sensíveis a influências externas, caras de fabricar e exigem infraestrutura criogênica complexa. Pesquisadores da startup EeroQ, sediada em Chicago, estão propondo uma abordagem promissora, tendo projetado e construído em laboratório um sistema que utiliza elétrons individuais “flutuando” na superfície do hélio líquido.

O método proposto promete permitir a criação de milhões de qubits em um único chip, eliminando simultaneamente gargalos na interface e no sistema de controle de qubits. Mais importante ainda, esses processadores quânticos podem ser fabricados usando tecnologias maduras de fabricação de chips, o que os torna muito baratos.

O conceito da EeroQ é baseado no chamado efeito de “carga de espelho” na interface entre os meios — uma carga virtual que resulta da estabilização do campo eletromagnético de uma partícula carregada próxima a um condutor ou dielétrico. Quando um elétron com carga negativa se aproxima da superfície do hélio líquido, uma carga positiva fraca aparece abaixo da superfície, estabilizando a posição do elétron no espaço. O hélio líquido atua como um estabilizador adicional. Como resultado, o elétron paira acima da superfície do hélio. Devido a esses fatores de estabilização, ele se torna menos sensível à interferência — o principal problema de todos os circuitos de qubits.

O circuito proposto é uma armadilha de elétrons pronta para uso. As propriedades superfluidas do hélio líquido permitem que ele seja distribuído uniformemente pelos microcanais do chip sem interferência. Esse mesmo meio também abre a possibilidade de transportar os elétrons.Transferência baseada em elétrons de uma armadilha para outra, o que significa que o chip pode realizar cálculos usando elétrons como qubits. Em seus experimentos, os pesquisadores da EeroQ demonstraram que os elétrons podem percorrer distâncias incríveis através do chip — até um quilômetro ou mais.

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Usando um filamento de tungstênio e eletrodos eletromagnéticos, os cientistas preencheram armadilhas com elétrons, isolando-os com barreiras de energia simplesmente aumentando a voltagem nos contatos das armadilhas. Como as armadilhas são conectadas a ressonadores, sua frequência pode ser usada para determinar quantos elétrons estão presentes. Essas partículas podem ser literalmente extraídas das armadilhas, uma a uma, simplesmente alterando a altura das barreiras de energia (a voltagem nos contatos) até que reste apenas uma partícula, que pode ser manipulada como um qubit.

Uma vantagem fundamental do desenvolvimento é a alta coerência de spin do elétron (a capacidade de permanecer em um estado de superposição por um longo tempo), que, de acordo com o principal especialista científico da EeroQ, Johannes Pollanen, “não pode ser pior do que no silício e potencialmente atinge valores fantásticos”. O sistema utiliza processos CMOS padrão para a fabricação de eletrodos e circuitos, simplificando a produção em massa e permitindo a integração de milhões de qubits sem a necessidade de scanners de semicondutores de última geração.

Cientistas já demonstraram a captura e o controle de um único elétron, bem como seu movimento por distâncias significativas — até um quilômetro — sem perda de estabilidade. O próximo passo é codificar informações no spin do elétron para criar qubits funcionais. Para reduzir a decoerência de campos magnéticos não homogêneos, pares de elétrons com spins opostos são planejados: qualquer interrupção de fase em um será compensada no outro. Isso permitirá operações lógicas e interações entre qubits, movimentando elétrons ao redor do chip.para a implementação de algoritmos quânticos.

A abordagem da EeroQ pode revolucionar a computação quântica, tornando as plataformas compactas, baratas e escaláveis, com interfaces externas mínimas para gerenciar milhões de qubits. Embora a tecnologia ainda esteja em seus estágios iniciais — sem portas completas ou integração em larga escala — seu potencial é enorme. A remoção de barreiras importantes, como a complexidade de fabricação e a sensibilidade ao ruído, abre caminho para computadores quânticos práticos, capazes de resolver problemas inacessíveis aos sistemas clássicos. Em última análise, esta descoberta destaca como repensar materiais e efeitos físicos pode superar limitações de longa data na computação quântica.