Uma forma exótica da matéria pode avançar a computação quântica no futuro

A computação quântica é um dos tópicos mais quentes e debatidos na tecnologia atualmente. Isso porque a promessa em torno de computadores quânticos garante que eles servirão para acelerar processamento e a tecnologia consideravelmente. No entanto, problemas, como os erros quânticos, se tornam barreiras já que ruídos podem comprometer os processos e cálculos nessas máquinas.

Resolver o problema de ruído e dos erros quânticos é o desafio principal de pesquisadores ao redor do mundo. A ideia é buscar formas de diminuir ou anular esses erros de forma que dê para aumentar as escalas de qubits. Alguns grupos foram na utilização de matéria exótica como isolantes topológicos e ânions não abelianos. Essas matérias exóticas possuiriam propriedades que protegeriam as informações quânticas de perturbações externas.

Um estudo que tem chamado atenção de físicos e cientistas da computação ao redor do mundo é o uso de ânions não abelianos para criar qubits topológicos. Esse tipo de matéria possibilitaria estabilidade e tolerância a erros. Esses qubits poderia ser manipulados através de operações baseadas na troca das partículas, armazenando informações em sua trajetória. A ideia seria usar essas propriedades para resolver o problema de ruídos.

Computação Quântica

Computadores clássicos representam dados através de bits que podem ter valores 0 ou 1 e as operações presentes envolvem esses valores. Já os computadores quânticos representam dados através de qubits que além de 0 ou 1 também podem estar em superposição de estados. Por causa dessa característica de superposição da Mecânica Quântica, os sistemas quânticos processariam informação muito mais rápido.

Um dos principais problemas envolve algo chamado de coerência quântica, que é a capacidade dos qubits de manterem seus estados superpostos durante o processamento. Interferências externas podem afetar e causar a decoerência que limita a precisão dos cálculos. Construir hardwares também é um desafio já que os sistemas quânticos precisam operar em temperaturas extremamente baixas e com estabilidade.

Como dividir o indivisível?

Um dos processos estudados em busca de materiais que possam resolver problemas da computação quântica é o electron fractionalization. Esse fenômeno acontece quando um elétron parece se dividir em quasipartículas que possuem frações dessa carga ou outras propriedades do elétron. No entanto, o elétron é uma partícula indivisível e esse fenômeno ocorre em sistemas específicos.

Importante notar que a divisão não significa que o elétron é dividido fisicamente. Ele parece estar dividido, ou seja, suas propriedades se manifestam em partes separadas. Um exemplo é o efeito Hall quântico fracionário que necessita de campos magnéticos fortes. Esse efeito já foi confirmado experimentalmente e cada quasipartícula carrega frações da carga do elétron.

Propriedade dos elétrons

Quando se fala em efeito Hall fracionário, é comum falar sobre elétrons abelianos e não abelianos. Os elétrons abelianos seriam associado à um sistema quântico que retorna ao estado original após a troca de duas partículas idênticas. Já os elétrons não abelianos retornam à um estado quântico diferente, com as trocas descritas por operações matemáticas que não comutam, ou não abelianas.

Quando as quasipartículas são estudadas, elas podem exibir propriedades semelhantes aos elétrons não abelianos. Além disso, uma característica desses elétrons é que suas trocas armazenam informações quânticas sem muito ruído. A combinação desses fatores mostra uma possibilidade de obter qubits mais estáveis.

Futuro da computação quântica

Por causa da propriedade que essas quasipartículas e essas propriedades tem de lembrar suas trajetórias, elas podem ser aplicadas na computação quântica. Segundo novo artigo do MIT, isso permitiria que os estados quânticos sejam utilizados de maneira mais eficiente na computação quântica. Investigar esse novo tipo de material pode significar um avanço na solução desses problemas.

Mais estudos sobre essa processo e essas quasipartículas, principalmente em sistemas bidimensionais são importantes. Se as previsões teóricas forem confirmadas experimentalmente, isso poderá levar a um avanço na computação quântica tornando os computadores quânticos mais confiáveis e capazes de executar mais tarefas.

Referência da notícia:

Reddy et al. 2024 Non-Abelian Fractionalization in Topological Minibands Physical Review Letters