Pesquisadores do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP) conseguiram, pela primeira vez no Brasil, aprisionar íons frios em uma armadilha construída integralmente no país. O resultado representa uma etapa inicial para o desenvolvimento nacional de uma das principais plataformas utilizadas na computação quântica.
O projeto foi liderado pelo pesquisador Amilson Rogelso Fritsch, em colaboração com o professor Vanderlei Bagnato, e alcançou os primeiros resultados 18 meses após seu início.
A tecnologia de íons aprisionados é uma das plataformas utilizadas no desenvolvimento de computadores quânticos, voltados à resolução de problemas científicos e industriais de alta complexidade. Entre as aplicações está a simulação de sistemas atômicos e moleculares, que pode contribuir para o desenvolvimento de novos fármacos e materiais.
O Brasil já acumulava experiência no resfriamento e aprisionamento de átomos neutros, mas ainda não dominava experimentalmente o trabalho com íons aprisionados voltado a esse tipo de aplicação. Ao integrar a infraestrutura existente do Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica (Cepof), da USP, à nova armadilha construída no país, os pesquisadores avançaram nessa frente.
Conforme informações divulgadas pelo Instituto de Física de São Carlos da USP (IFSC-USP) e pela CNN Brasil, o experimento abre caminho para que a equipe avance para a manipulação dos íons como qubits e, posteriormente, para operações de processamento quântico.
Como funciona o experimento
O experimento brasileiro baseia-se na Armadilha de Paul, técnica desenvolvida na década de 1950 pelo físico alemão Wolfgang Paul. O trabalho com o confinamento de partículas carregadas por meio de campos elétricos oscilantes contribuiu para que o cientista recebesse o Prêmio Nobel de Física em 1989.
No laboratório do IFSC-USP, o processo é iniciado com átomos neutros de estrôncio. Com o disparo de feixes de laser precisamente ajustados, um elétron é arrancado de cada átomo, produzindo íons positivos.
Para mantê-los confinados, o equipamento aplica, na direção transversal, um campo elétrico que oscila a aproximadamente 18 megahertz — 18 milhões de vezes por segundo. A oscilação é tão rápida que os íons não conseguem acompanhar as sucessivas mudanças do campo e permanecem próximos ao eixo central da armadilha.
Na direção longitudinal, um segundo campo elétrico, estático, impede que as partículas escapem pelas extremidades. Todo o sistema funciona dentro de uma câmara de ultra-alto vácuo, que reduz o risco de colisões com moléculas do ar capazes de expulsar os íons da armadilha ou perturbar os estados quânticos que os pesquisadores pretendem controlar.
Embora a estrutura física da câmara opere à temperatura ambiente, os íons em seu interior são resfriados por feixes de laser a temperaturas inferiores a um milikelvin, próximas do zero absoluto. Esse resfriamento drástico reduz a vibração térmica dos íons ao seu estado quântico fundamental, permitindo gravar, manipular e ler dados sem a interferência de ruídos.
Segundo os pesquisadores, o estrôncio é ideal para essa tarefa pois possui uma transição eletrônica larga para resfriamento e detecção, e outra estreita que funciona como uma espécie de memória. Quando vários íons são capturados, a repulsão entre suas cargas positivas faz com que se organizem em uma cadeia, separados por poucos micrômetros.
Próximos passos
Após a conquista do aprisionamento de íons frios de estrôncio, a pesquisa desenvolvida no IFSC-USP possui etapas definidas para a continuidade do projeto:
- Manipulação como qubits: o objetivo imediato é passar da etapa de captura física dos íons para a sua manipulação individual como bits quânticos (qubits).
- Primeiras operações quânticas: a expectativa dos pesquisadores é realizar as primeiras operações de processamento quântico em solo brasileiro nos próximos meses.
- Emaranhamento e portas lógicas: a equipe trabalhará na criação de estados de superposição e no emaranhamento quântico entre os íons alinhados em cadeia, etapa fundamental para construir as primeiras portas lógicas quânticas do sistema.
- Publicação científica: os dados e resultados obtidos nessa fase inicial passarão por publicação científica, consolidando essa nova linha de pesquisa.
