O desenvolvimento de um computador quântico capaz de resolver problemas que os computadores clássicos só conseguem resolver com grande esforço ou não conseguem de todo — este é o objetivo atualmente perseguido por um número cada vez maior de equipes de pesquisa em todo o mundo. A razão: os efeitos quânticos, que se originam no mundo das partículas e estruturas mais minúsculas, possibilitam muitas novas aplicações tecnológicas. Os chamados supercondutores, que permitem o processamento de informações e sinais de acordo com as leis da mecânica quântica, são considerados componentes promissores para a realização de computadores quânticos. Um obstáculo das nanoestruturas supercondutoras, no entanto, é que elas só funcionam em temperaturas muito baixas e, portanto, são difíceis de serem aplicadas na prática.
Pesquisadores da Universidade de Münster e do Centro de Pesquisa Jülich demonstraram, pela primeira vez, o que se conhece como quantização de energia em nanofios feitos de supercondutores de alta temperatura — ou seja, supercondutores nos quais a temperatura é elevada abaixo daquela em que os efeitos da mecânica quântica predominam. O nanofio supercondutor assume, então, apenas estados de energia selecionados que podem ser usados para codificar informações. Nos supercondutores de alta temperatura, os pesquisadores também conseguiram observar, pela primeira vez, a absorção de um único fóton, partícula de luz que serve para transmitir informações.
“Por um lado, nossos resultados podem contribuir para o uso de tecnologia de resfriamento consideravelmente simplificada em tecnologias quânticas no futuro e, por outro lado, oferecem-nos novas perspectivas sobre os processos que governam os estados supercondutores e sua dinâmica, que ainda não são compreendidos”, enfatiza o líder do estudo, Prof. Adjunto Carsten Schuck, do Instituto de Física da Universidade de Münster. Os resultados podem, portanto, ser relevantes para o desenvolvimento de novos tipos de tecnologia computacional. O estudo foi publicado na revista Nature Communications.
Os cientistas utilizaram supercondutores compostos pelos elementos ítrio, bário, óxido de cobre e oxigênio, ou YBCO, para abreviar, a partir dos quais fabricaram fios com espessura de alguns nanômetros. Quando essas estruturas conduzem corrente elétrica, ocorrem dinâmicas físicas chamadas de "deslizamentos de fase". No caso dos nanofios de YBCO, as flutuações na densidade de portadores de carga causam variações na supercorrente. Os pesquisadores investigaram os processos nos nanofios a temperaturas abaixo de 20 Kelvin, o que corresponde a -253 graus Celsius. Em combinação com cálculos de modelos, eles demonstraram uma quantização dos estados de energia nos nanofios. A temperatura na qual os fios entraram no estado quântico foi encontrada entre 12 e 13 Kelvin — uma temperatura centenas de vezes maior do que a temperatura necessária para os materiais normalmente utilizados. Isso permitiu aos cientistas produzir ressonadores, ou seja, sistemas oscilantes sintonizados em frequências específicas, com vidas úteis muito mais longas e manter os estados mecânicos quânticos por mais tempo. Isso é um pré-requisito para o desenvolvimento a longo prazo de computadores quânticos cada vez maiores.
Outros componentes importantes para o desenvolvimento de tecnologias quânticas, e potencialmente também para diagnósticos médicos, são detectores capazes de registrar até mesmo fótons individuais. O grupo de pesquisa de Carsten Schuck, na Universidade de Münster, trabalha há vários anos no desenvolvimento de detectores de fótons individuais baseados em supercondutores. O que já funciona bem em baixas temperaturas, cientistas do mundo todo vêm tentando alcançar com supercondutores de alta temperatura há mais de uma década. Nos nanofios de YBCO usados no estudo, essa tentativa foi finalmente bem-sucedida. "Nossas novas descobertas abrem caminho para novas descrições teóricas experimentalmente verificáveis e para desenvolvimentos tecnológicos", afirma o coautor Martin Wolff, do grupo de pesquisa de Schuck.
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Data da publicação: 07/04/2020