Seria possível unir, em uma única partícula quântica, um relógio de ultraprecisão, um processador computacional e um simulador de processos físicos? Físicos do laboratório JILA, em Boulder, em colaboração com colegas da Universidade de Innsbruck, provaram que sim. Eles desenvolveram um "multiferramenta" quântico baseado em átomos de itérbio-171, capazes de alternar sua função ao comando de um laser.
Até o momento, as tecnologias quânticas haviam evoluído de forma paralela. Enquanto alguns pesquisadores desenvolviam qubits voltados para cálculos, outros focavam na modelagem de sistemas complexos ou na criação de relógios ópticos. O grande desafio reside no fato de que cada uma dessas tarefas exige propriedades físicas distintas.
A equipe liderada por Adam Kaufman encontrou uma solução elegante. Eles utilizaram três pares de estados energéticos do itérbio que compartilham um único estado de "ancoragem". Ao disparar pulsos de laser em frequências específicas contra o átomo, os pesquisadores conseguiram transferir instantaneamente a superposição quântica entre os diferentes modos sem qualquer perda de dados.
O mesmo átomo agora atua em três frentes distintas:
- Qubit nuclear: utiliza o spin do núcleo, que é praticamente imune a interferências externas, para armazenar informações de forma segura.
- Qubit de Rydberg: gerado pela excitação intensa de um elétron, permitindo que os átomos interajam rapidamente entre si para realizar cálculos.
- Qubit óptico: aproveita os níveis de energia usados em relógios atômicos, essenciais para medições de alta precisão.
Durante os experimentos, os cientistas demonstraram um ciclo de trabalho completo. Eles conseguiram emaranhar até 20 átomos e realizaram operações de dois qubits com uma precisão de 99,78%. Caso ocorresse algum erro durante a alternância, o sistema detectava a falha por meio de controle óptico e descartava as execuções malsucedidas.
Em uma perspectiva futura, essa versatilidade permite apagar as fronteiras entre a computação quântica e a metrologia de precisão. Os engenheiros não precisarão mais escolher entre a estabilidade do sistema e a sua velocidade de operação. A integração desses três modos em uma única plataforma pode acelerar significativamente o surgimento de computadores quânticos práticos, capazes de resolver problemas do mundo real sem a necessidade de trocas complexas de equipamentos.
