Cientistas criam 'gato' para detectar erros de computação quântica

O "gato de Schrödinger" – um famoso experimento mental quântico – foi recriado dentro de um chip de silício

No átomo de antimônio, que tem oito direções de spin diferentes, se o '0' for codificado como um 'gato morto' e o '1' como um 'gato vivo', um único erro não será suficiente para embaralhar o código quântico

Divulgação/Universidade do Sul de Sydney

Na mecânica quântica, um dos experimentos mentais mais famosos é o do “gato de Schrödinger” — que aponta um gato cuja vida ou morte depende da decomposição de um átomo radioativo. A menos que o átomo seja diretamente observado, ele deve ser considerado como estando em uma superposição – isto é, em múltiplos estados ao mesmo tempo. Isso leva à conclusão de que o gato está em uma superposição de morto e vivo.

Inspirados nesse famoso experimento, pesquisadores da Universidade de Nova Gales do Sul, na Austrália, usaram um átomo de antimônio (elemento químico) para tentar corrigir erros da computação quântica. “Em nosso trabalho, o 'gato' é um átomo de antimônio”, diz Xi Yu, principal autor do artigo.

"O antimônio é um átomo pesado, que possui um grande spin nuclear, ou seja, um grande dipolo magnético. 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", explica o pesquisador Xi Yu.

Os cientistas que trabalham na construção de um computador quântico geralmente usam um qubit – um objeto descrito por apenas dois estados quânticos. “Se o qubit for um spin, podemos chamar 'spin down' do estado '0' e 'spin up' do estado '1'. Mas se a direção do spin mudar repentinamente, temos imediatamente um erro lógico: 0 se transforma em 1 ou vice-versa, de uma só vez. É por isso que a informação quântica é tão frágil", diz Benjamin Wilhelm, coautor da pesquisa.

No átomo de antimônio, que tem oito direções de spin diferentes, se o '0' for codificado como um 'gato morto' e o '1' como um 'gato vivo', um único erro não será suficiente para embaralhar o código quântico.

“Como diz o provérbio, um gato tem nove 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'. Este é o sentido em que a superposição de estados de spin de antimônio em direções opostas é 'macroscópica' – porque está acontecendo em uma escala maior e realiza um gato de Schrödinger”, exemplifica Yu.

O "gato de antimônio" foi colocado em um chip quântico de silício. “Ao hospedar o 'gato de Schrödinger' atômico dentro de um chip de silício, obtemos um controle primoroso sobre seu estado quântico – ou, se preferir, sobre sua vida e morte. 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", frisa a pesquisadora Danielle Holmes.

Os pesquisadores ressaltam que a descoberta abre a porta para uma nova maneira de executar computações quânticas.

“Se ocorrer um erro, nós o detectamos imediatamente e podemos corrigi-lo antes que mais erros se acumulem. Para continuar a metáfora do 'gato de Schrödinger', é como se víssemos nosso gato chegando em casa com um grande arranhão no rosto. Ele está longe de estar morto, mas sabemos que ele entrou em uma briga; podemos ir e descobrir quem causou a briga, antes que aconteça novamente e nosso gato sofra mais ferimentos", ilustra a professora Andrea Morello.