Gato de Schrodinger vivo ou morto dentro de chip tem sete vidas
[Imagem: Xi Yu et al. – 10.1038/s41567-024-02745-0]
Gato de Schrodinger
Bolado originalmente como um experimento mental, hoje já se pode dizer com segurança que o famoso gato de Schrodinger virou não apenas um experimento do mundo real, mas um dispositivo usado em pesquisas e em tecnologias quânticas.
O experimento original, que incorpora o conceito da mecânica quântica chamado superposição, coloca a vida de um gato fechado em uma caixa nas mãos do decaimento de um átomo radioativo. De acordo com a mecânica quântica, a menos que o átomo seja observado diretamente, ele deve ser considerado como estando em uma superposição – isto é, estando em múltiplos estados ao mesmo tempo – de decaído e não decaído. Isso leva à conclusão intrigante de que o gato está em uma superposição de morto e vivo.
Agora, uma equipe da Universidade de Nova Gales do Sul, na Austrália, conseguiu não apenas concretizar o experimento do gato de Schrodinger dentro de um chip de silício, mas também criar o dispositivo que explora a superposição quântica do modo mais robusto já feito – e robustez na mecânica quântica significa coisas como diminuir a taxa de erros da computação quântica, um dos maiores entraves para que tenhamos computadores quânticos maiores e mais práticos.
O gato é representado por um único átomo do elemento químico antimônio incorporado dentro de um chip de silício. O antimônio é um material presente em nossos computadores e celulares, mas neste caso o chip foi adaptado para dar acesso ao estado quântico de um único átomo.
“Ao hospedar o gato de Schrodinger atômico dentro de um chip de silício, obtemos um controle extraordinário sobre seu estado quântico – ou, se preferir, sobre sua vida e morte,” disse o professor Danielle Holmes. “Além disso, hospedar o gato no silício significa que, a longo prazo, essa tecnologia pode ser ampliada usando métodos semelhantes aos que já adotamos para construir os chips de computador que temos hoje.”
[Imagem: Xi Yu et al. – 10.1038/s41567-024-02745-0]
Gato de antimônio
A importância do “gato de antimônio” é que ele abre as portas para uma nova maneira de realizar computações quânticas. As informações ainda são codificadas em código binário, 0 ou 1, mas há mais espaço para erro entre os códigos lógicos, o que significa que o chip é muito mais tolerante a falhas.
Foi justamente para isso que a equipe escolheu o antimônio, que é muito mais complexo do que os qubits tradicionais.
“O antimônio é um átomo pesado, que possui um grande spin nuclear, o que significa um grande dipolo magnético,” detalha o pesquisador Xi Yu. “O spin do antimônio pode tomar oito direções diferentes, em vez de apenas duas. Isso pode não parecer muito, mas na verdade muda completamente o comportamento do sistema. Uma superposição do spin do antimônio apontando em direções opostas não é apenas uma superposição de para cima e para baixo porque há múltiplos estados quânticos separando os dois ramos da superposição.”
Isso tem consequências profundas para a construção de um computador quântico usando o spin nuclear de um átomo como qubit: Enquanto um único erro na posição do spin representa a perda da informação em um qubit tradicional, no qubit de antimônio é possível ter uma série de erros sem que a informação se vá para sempre.
[Imagem: Xi Yu et al. – 10.1038/s41567-024-02745-0]
Gato quântico com sete vidas
Com oito direções de spin diferentes, se o 0 for codificado como um gato morto e o 1 como um gato vivo, um único erro no átomo de antimônio não será suficiente para embaralhar o código quântico.
“Como diz o provérbio, um gato tem sete vidas. Um pequeno arranhão não é suficiente para matá-lo. Nosso gato metafórico tem sete vidas: Seriam necessários sete erros consecutivos para transformar o 0 em um 1! É nesse sentido que a superposição de estados de spin do antimônio em direções opostas é macroscópica – porque acontece em uma escala maior e cria um gato de Schrodinger,” explicou Yu.
A equipe agora pretende usar seu gato de antimônio para demonstrar protocolos de correção de erros para a computação quântica.