O divisor de pares Cooper controlável pode separar elétrons emaranhados sob demanda – Physics World

O divisor de pares Cooper controlável pode separar elétrons emaranhados sob demanda – Physics World

Carimbo de hora: 14 de março de 2024 9h00


Esquema mostrando pares de Cooper divididos, representados por bolas azuis com setas indicando rotação na direção oposta, sendo alimentados em um computador (quântico)
Material Qubit: Uma figura que mostra esquematicamente como pares de Cooper divididos podem ser alimentados em um computador quântico que opera com elétrons emaranhados. (Cortesia: Fredrik Brange)

Partículas emaranhadas – isto é, aquelas com estados quânticos que permanecem correlacionados independentemente da distância entre elas – são importantes para muitas tecnologias quânticas. Dispositivos chamados divisores de pares de Cooper podem, em princípio, gerar essas partículas emaranhadas, separando os elétrons que formam pares em materiais supercondutores, mas o processo foi considerado muito aleatório e incontrolável para ser de uso prático.

Físicos em Universidade de Aalto na Finlândia apresentaram agora uma proposta teórica indicando que estes pares de electrões poderiam, de facto, ser divididos a pedido, aplicando tensões dependentes do tempo a pontos quânticos colocados em ambos os lados de uma tira supercondutora. A técnica, que preserva o estado emaranhado dos elétrons separados, pode auxiliar no desenvolvimento de computadores quânticos que usam elétrons emaranhados como bits quânticos (qubits).

Quando um material supercondutor convencional é resfriado a temperaturas muito baixas, os elétrons dentro dele superam sua repulsão mútua e formam pares. Esses chamados pares de Cooper se propagam através do material sem qualquer resistência. Os elétrons emparelhados são naturalmente emaranhados, com spins que apontam em direções opostas. Extrair e separar esses pares de elétrons preservando seu emaranhamento seria útil para uma série de aplicações, incluindo a computação quântica, mas fazer isso não é uma tarefa fácil.

No último trabalho, detalhado em Revisão Física B, físicos liderados pelo teórico Christian Flindt propor uma nova maneira de operar um divisor de pares Cooper. Seu design consiste em uma tira supercondutora que contém dois eletrodos e é acoplada a dois pontos quânticos (pedaços nanométricos de material semicondutor) em cada lado da tira. Quando uma voltagem é aplicada aos eletrodos, os elétrons emparelhados com Cooper dentro do supercondutor são atraídos para a ponta da tira supercondutora e se separam, com cada ponto quântico acomodando um elétron separado de cada vez. Esses elétrons separados podem então ser transmitidos através de um nanofio.

Tensões dependentes do tempo

A chave para a configuração da equipe é que a voltagem aplicada ao eletrodo em um lado da tira varia no tempo, de modo que exatamente dois pares de Cooper são divididos e ejetados durante cada oscilação periódica. “Até agora, nos experimentos, as tensões aplicadas foram mantidas constantes”, explica Flindt. “Em nossa proposta, mostramos como a divisão de pares de Cooper pode ser controlada com tensões dependentes do tempo aplicadas ao dispositivo.”

Com base em seus cálculos, Flindt e colegas estimam que seu divisor de pares de Cooper poderia separar elétrons emaranhados a uma frequência na faixa de gigahertz. A maioria dos computadores modernos opera com ciclos de clock nesta faixa e, para muitas tecnologias quânticas, é importante ter uma fonte igualmente rápida de partículas emaranhadas. Na verdade, a combinação de vários divisores poderia ajudar a formar a base de um computador quântico que opera usando elétrons emaranhados, diz a equipe.

Experimentalistas convidados a “pegar o bastão”

Os físicos de Aalto decidiram realizar o seu estudo porque perceberam que havia necessidade de controlar a divisão dos pares de Cooper. O maior desafio deles era descobrir como variar as tensões no tempo, de modo que os pares Cooper fossem divididos sob demanda. Olhando para o futuro, eles pensam que deveria ser possível realizar a sua proposta experimentalmente e esperam que os experimentalistas “peguem o bastão”.

“Também seria interessante investigar como nosso divisor de pares Cooper sob demanda pode ser integrado a um circuito eletrônico quântico maior para desenvolver o processamento quântico de informações”, disse Flindt. Mundo da física.

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