Nanotubo de carbono é o lar ideal para girar bits quânticos

06 de março de 2023 (Notícias do Nanowerk) Os cientistas estão a competir vigorosamente para transformar as descobertas contra-intuitivas sobre o reino quântico de um século passado em tecnologias do futuro. O alicerce dessas tecnologias é o bit quântico, ou qubit. Vários tipos diferentes estão em desenvolvimento, incluindo aqueles que utilizam defeitos nas estruturas simétricas do diamante e do silício. Eles poderão um dia transformar a computação, acelerar a descoberta de medicamentos, gerar redes invioláveis ​​e muito mais. Trabalhando com pesquisadores de várias universidades, cientistas do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) descobriram um método para introduzir elétrons giratórios como qubits em um nanomaterial hospedeiro (Natureza das Comunicações, “Qubits de spin eletrônicos de longa vida em nanotubos de carbono de parede única”). Os resultados dos testes revelaram tempos de coerência longos e recordes – a propriedade chave para qualquer qubit prático porque define o número de operações quânticas que podem ser realizadas durante a vida útil do qubit. Renderização artística de nanotubo de carbono quimicamente modificado hospedando um elétron giratório como qubit. (Imagem: Argonne National Laboratory) Os elétrons têm uma propriedade análoga ao spin de um pião, com uma diferença fundamental. Quando os piões giram no lugar, eles podem girar para a direita ou para a esquerda. Os elétrons podem se comportar como se estivessem girando nas duas direções ao mesmo tempo. Esta é uma característica quântica chamada superposição. Estar em dois estados ao mesmo tempo torna os elétrons bons candidatos para qubits de spin. Os spin qubits precisam de um material adequado para abrigá-los, controlá-los e detectá-los, bem como ler as informações neles contidas. Pensando nisso, a equipe optou por investigar um nanomaterial feito apenas de átomos de carbono, com formato tubular oco e espessura de apenas cerca de um nanômetro, ou um bilionésimo de metro, cerca de 100,000 mil vezes mais fino que a largura de um cabelo humano. “Esses nanotubos de carbono têm normalmente alguns micrômetros de comprimento”, disse Xuedan Ma. “Eles estão em sua maioria livres de spins nucleares flutuantes que interfeririam no spin do elétron e reduziriam seu tempo de coerência.” Ma é cientista no Centro de Materiais em Nanoescala (CNM) de Argonne, uma instalação de usuário do DOE Office of Science. Ela também ocupa cargos na Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago e no Instituto de Ciência e Engenharia Northwestern-Argonne da Universidade Northwestern. O problema que a equipe enfrentou é que nanotubos de carbono por si só não conseguem manter um elétron girando em um sítio. Ele se move em torno do nanotubo. Pesquisadores anteriores inseriram eletrodos separados por nanômetros para confinar um elétron giratório entre eles. Mas este arranjo é volumoso, caro e difícil de ampliar. A equipe atual desenvolveu uma maneira de eliminar a necessidade de eletrodos ou outros dispositivos em nanoescala para confinar o elétron. Em vez disso, eles alteram quimicamente a estrutura atômica de um nanotubo de carbono de uma forma que prende um elétron em rotação em um local. “Para nossa satisfação, nosso método de modificação química cria um qubit de spin incrivelmente estável em um nanotubo de carbono”, disse o químico Jia-Shiang Chen. Chen é membro do CNM e pesquisador de pós-doutorado no Centro de Transdução Quântica Molecular da Northwestern University. Os resultados dos testes da equipe revelaram tempos de coerência longos e recordes em comparação com os sistemas feitos por outros meios – 10 microssegundos. Dado o seu pequeno tamanho, a plataforma spin qubit da equipe pode ser mais facilmente integrada em dispositivos quânticos e permite muitas maneiras possíveis de ler as informações quânticas. Além disso, os tubos de carbono são muito flexíveis e suas vibrações podem ser usadas para armazenar informações do qubit. “Há um longo caminho desde o nosso spin qubit em um nanotubo de carbono até tecnologias práticas, mas este é um grande passo nessa direção”, disse Ma.

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• Fonte: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62511.php