Um artigo publicado na revista científica Nature Materials descreve um estudo que propõe a utilização de uma pedra preciosa para armazenar e processar dados de computadores quânticos, além de permitir que eles viajem na velocidade da luz.

Cristal de óxido de cobre II proveniente da Namíbia, um dos poucos locais do mundo onde o cobre oxidado já foi encontrado na qualidade de pedra preciosa. Imagem: Universidade de St. Andrews

Segundo o artigo, os cientistas foram capazes de produzir com sucesso as maiores quasipartículas híbridas de luz e matéria já criadas, a partir de óxido de cobre II (Cu2O), proveniente de um antigo depósito na Namíbia, um dos poucos lugares do mundo onde o cobre oxidado já foi encontrado na qualidade de pedra preciosa.

Conhecidas como polaritons de Rydberg, essas quasipartículas (100 vezes maiores do que quaisquer outras vistas anteriormente) foram geradas usando cristais recuperados da pedra, que depois de polidos e reduzidos a dimensões menores do que a espessura de um fio de cabelo humano, foram dispostos como um recheio de sanduíche entre dois espelhos para prender a luz. 

Esse procedimento aproxima a ciência da produção de um simulador quântico que pode funcionar por meio desses polaritons de Rydberg, usando bits quânticos (qubits) para armazenar informações em 0s, 1s e múltiplos valores entre eles – em vez de apenas os 1s e 0s de bits clássicos da computação.

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“Fazer um simulador quântico com luz é o Santo Graal da ciência”, diz o principal autor do estudo, o físico Hamid Ohadi, da Universidade de St Andrews, no Reino Unido, em entrevista ao site Science Alert. “Demos um grande salto para isso criando polaritons de Rydberg, o ingrediente-chave disso”.

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Dois lados da moeda

O que torna essas quasipartículas tão especiais é que elas alternam continuamente da luz para a matéria. Os pesquisadores comparam a luz e a matéria com dois lados da mesma moeda, e é no lado da matéria onde as quasipartículas podem interagir umas com as outras.

Segundo o estudo de Ohadi, enquanto as partículas de luz se movem rapidamente, mas não interagem entre si, a matéria é mais lenta, mas capaz de interagir. Juntar essas duas habilidades pode ajudar a aprimorar o potencial dos computadores quânticos.

Polaritons de Rydberg são formados através do acoplamento de éxcitons e fótons. E é aí que entra a antiga pedra preciosa da Namíbia: o óxido de cobre II é um supercondutor, um material que permite que os elétrons fluam sem resistência – e pesquisas anteriores mostraram que ele contém éxcitons gigantes de Rydberg.

Éxcitons são quasesipartículas eletricamente neutras que podem ser forçadas, sob as condições certas, a acoplar com partículas de luz. Esses grandes éxcitons encontrados em óxido de cobre II são capazes de ser acoplados com fótons dentro de uma configuração especial conhecida como microcavidade Fabry-Pérot – essencialmente um sanduíche de espelho.

Esse foi um elemento-chave para os pesquisadores poderem criar os polaritons de Rydberg maiores. “Comprar a pedra no eBay foi fácil”, diz o físico Sai Kiran Rajendran, da Universidade de St. Andrews, coautor do estudo. “O desafio era produzir polaritons de Rydberg existentes em uma faixa de cores extremamente estreita”.

Método promete maior capacidade de processamento nos computadores quânticos

Uma vez que computadores quânticos altamente capazes possam ser montados – talvez usando esses polaritons de Rydberg – as melhorias exponenciais no poder da computação permitirão que eles enfrentem cálculos extremamente complexos além do escopo dos computadores atuais.

Computador quântico da IBM. Imagem: IBM Research / Flicker

Exemplos apresentados pelos pesquisadores incluem o desenvolvimento de materiais supercondutores de alta temperatura e uma maior compreensão sobre como as proteínas se dobram (o que, potencialmente, aumentaria nossa capacidade de produzir medicamentos).

Os métodos descritos na nova pesquisa precisam ser ainda mais refinados para que essas partículas possam ser usadas em circuitos quânticos, mas o básico está aí – e a equipe acha que seus resultados podem ser melhorados no futuro também. “Esses resultados abrem caminho para a realização de éxciton-polaritons interagindo e explorando fases fortemente correlacionadas da matéria usando luz em um chip”, dizem os pesquisadores em seu artigo.

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