Novos caminhos para as tecnologias quânticas: controlo ótico de spins nucleares em moléculas
Os sistemas moleculares podem ser quimicamente personalizados e, assim, permitir qubits atomicamente precisos
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Uma equipa de investigação do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT) fez um importante avanço na investigação da física quântica e dos materiais: Pela primeira vez, os spins nucleares num material molecular puderam ser opticamente inicializados, controlados e lidos. Os spins nucleares são considerados como portadores particularmente estáveis de informação quântica devido à sua fraca interação com o ambiente. Os resultados mostram que os spins nucleares moleculares podem ser um elemento promissor para as futuras tecnologias quânticas. Publicação na revista Nature Materials.
A ressonância magnética nuclear (RMN) é um método analítico estabelecido para a análise de materiais e moléculas. O seu campo de aplicação vai desde a análise química até ao processamento de informação quântica. Num estudo recente, os investigadores do KIT analisaram um cristal molecular que contém iões de európio. Estes iões têm transições ópticas particularmente estreitas que permitem o acesso direto aos estados de spin nuclear. Utilizando luz laser, conseguiram primeiro converter os spins nucleares em estados definidos e depois lê-los opticamente.
Para além da abordagem ótica, os investigadores utilizaram campos de alta frequência para controlar os spins e protegê-los de influências interferentes do ambiente. Ao fazê-lo, conseguiram uma coerência quântica de spins nucleares com um tempo de vida de até dois milissegundos, um intervalo de tempo em que um sistema quântico mantém um estado mecânico quântico definido com precisão.
Os spins nucleares como portadores estáveis de informação quântica
"Os resultados mostram que os materiais moleculares podem ser uma plataforma promissora para futuros dispositivos quânticos", afirma o Professor David Hunger, do Instituto de Física do KIT. "É particularmente vantajoso o facto de podermos abordar aqui os spins nucleares sem interferir com os spins dos electrões. Isto tornará possível a realização de registos de qubits particularmente estáveis e densamente compactados no futuro".
Os cristais moleculares estudados foram sintetizados por investigadores do Instituto de Materiais e Tecnologias Quânticas e do Instituto de Nanotecnologia do KIT, no grupo de investigação do Professor Mario Ruben, e extensivamente caracterizados no que diz respeito à sua adequação como plataforma quântica.
Moléculas personalizadas para qubits atomicamente precisos
A longo prazo, os spins nucleares opticamente endereçáveis em moléculas abrem novas perspectivas para o desenvolvimento de computadores quânticos escaláveis. Os sistemas moleculares podem ser quimicamente personalizados, permitindo assim qubits de precisão atómica. A ressonância magnética nuclear detectada opticamente (ODNMR) permite também a realização de novos métodos de RMN de alta resolução que, no futuro, permitirão a investigação pormenorizada de materiais complexos.
Os resultados da investigação sublinham, assim, o grande potencial dos sistemas moleculares para as futuras tecnologias quânticas e constituem um passo importante para os sistemas de processamento quântico opticamente ligados em rede.
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