Pesquisadores do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP) alcançaram, pela primeira vez no Brasil, o aprisionamento de íons frios utilizando exclusivamente o campo elétrico, através de uma Armadilha do tipo Paul. Este feito envolveu átomos de estrôncio convertidos em partículas eletricamente carregadas e mantidos em uma área extremamente reduzida, estabelecendo uma plataforma experimental nacional para o desenvolvimento e teste de qubits.
Resumo do trabalho
Este trabalho é conduzido pelo físico Amilson Rogelso Fritsch, um Jovem Pesquisador apoiado pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) sob o programa Quantum Technologies Initiative (QuTIa). O resultado foi obtido após cerca de dezoito meses de desenvolvimento do projeto. A fase subsequente consistirá em progredir do mero confinamento das partículas para o controle de seus estados quânticos, o que é essencial para executar operações de processamento de informação.
Em conversa com o Olhar Digital, Fritsch esclareceu que o país carecia de qualquer experimento dedicado à computação quântica baseado em íons aprisionados. Ele mencionou que, apesar de existirem iniciativas de ensino ou projetos como o do professor Cláudio Lenz Cesar, no Rio de Janeiro, focado em antimatéria, o Brasil necessitava de uma infraestrutura própria para hardware quântico. Segundo ele, os sistemas mais promissores atualmente são os de íons aprisionados e os supercondutores, atraindo tanto pesquisas quanto investimentos, e recentemente, sistemas com átomos neutros também ganharam destaque.
O sucesso deste projeto também pavimenta o caminho para aplicações em metrologia de alta precisão. O físico destacou que, no futuro próximo, a capacidade brasileira não se limitará à computação quântica, mas também incluirá medições de exatidão, especialmente no padrão de definição do segundo, visto que relógios ópticos de íons aprisionados detêm o recorde mundial de precisão e estabilidade.
Para manter os íons contidos, a equipe emprega uma Armadilha de Paul, uma técnica desenvolvida pelo físico alemão Wolfgang Paul na década de 1950. Este dispositivo opera com campos elétricos que oscilam em alta frequência, variando aproximadamente 18 milhões de vezes por segundo no experimento. Devido à rápida mudança de direção do campo, os íons não conseguem acompanhar e escapar, sendo mantidos no centro pela força média resultante.
O confinamento ocorre em duas dimensões distintas. Transversalmente, o campo elétrico oscilante impede o afastamento dos íons do eixo central. Longitudinalmente, um campo elétrico estático assegura que eles não escapem pelas extremidades. O pesquisador apontou que o maior desafio prático não reside em gerar a oscilação, mas sim em posicionar e estabilizar o átomo precisamente no centro da armadilha. Ele detalhou que a dificuldade principal é colocar o íon no centro, pois se ele se desvia, passa a sentir o campo dinâmico e é forçado para os lados.
Para mitigar esse problema, a equipe de Fritsch utiliza campos estáticos de suporte e ajustes periódicos para manter a estabilidade do sistema ao longo do dia. Quando múltiplas partículas são capturadas, suas cargas positivas causam repulsão mútua, organizando-as em uma pequena cadeia espaçada por meros micrômetros.
Antes de serem inseridos na armadilha, os cientistas partem de átomos neutros de estrôncio. Feixes de laser removem um elétron de cada átomo, transformando-o em um íon positivo. Essas partículas são então confinadas em uma câmara de ultra-alto vácuo, um ambiente crucial para evitar que colisões com moléculas remanescentes expulsem os íons ou perturbem os estados quânticos que precisam ser monitorados.
Embora a câmara opere em temperatura ambiente, os íons são resfriados por meio de lasers. O objetivo é diminuir sua movimentação para níveis abaixo de um milikelvin, aproximando o sistema do estado quântico fundamental. Uma menor agitação das partículas resulta em maior precisão para a manipulação de sua informação, pois movimentos térmicos excessivos poderiam interferir nas operações nos estados quânticos.
As imagens coletadas revelam pontos luminosos que correspondem aos íons aprisionados, sendo cada ponto uma partícula individual. É possível controlar a quantidade de íons, permitindo trabalhar com uma única partícula ou com cadeias compostas por várias. Esta capacidade é relevante porque lasers podem ser direcionados a íons específicos, possibilitando modificar seus estados sem afetar os vizinhos.
Fritsch enfatizou que o alto grau de isolamento e o foco do laser permitem uma manipulação individual com precisão cirúrgica. Ele afirmou conseguir focar um laser de forma muito pequena e manipular apenas um íon na armadilha com uma fidelidade superior a 99,99%, sem impactar o átomo circundante, acrescentando que o sistema também suporta a operação simultânea de toda a cadeia de partículas quando necessário.
Conexão direta com a computação quântica
É neste ponto que o experimento se conecta diretamente à computação quântica. Enquanto nos computadores tradicionais a menor unidade de dado é o bit, que assume apenas os valores 0 ou 1, no sistema de íons aprisionados, dois estados internos de cada partícula cumprem essa função, formando um qubit. A distinção fundamental é que, conforme as leis da mecânica quântica, o qubit pode existir em uma superposição dos estados 0 e 1.
Uma analogia simples para ilustrar essa diferença é comparar um bit a uma moeda já caída, mostrando cara ou coroa. O qubit, por outro lado, pode ser comparado à moeda enquanto ela está girando. Embora essa comparação tenha limitações, ela auxilia na compreensão de que um estado quântico pode combinar ambos os valores. Contudo, no momento da medição, o resultado sempre será 0 ou 1.
Outra propriedade essencial é o emaranhamento quântico, que permite estabelecer correlações entre dois ou mais qubits, tratando o sistema como um todo coeso. Algoritmos quânticos podem aproveitar essas correlações, juntamente com a superposição e a interferência, para elevar a probabilidade de certos resultados. Essa abordagem pode trazer benefícios em problemas específicos que são difíceis de solucionar eficientemente com computadores convencionais.
Isso não implica que os computadores quânticos serão meramente máquinas mais velozes para todas as tarefas. Seu potencial reside em tipos específicos de desafios. Entre os exemplos mais investigados está a simulação de moléculas e átomos, o que pode impulsionar pesquisas em novos fármacos e materiais. O pesquisador reforçou que a arquitetura quântica é projetada para lidar com a natureza fundamental da matéria, afirmando que resolver problemas quânticos será muito mais rápido e viável se for utilizada tecnologia quântica, citando também futuros impactos na segurança de dados contra fraudes e transações financeiras complexas.
Para atingir este patamar, ainda é imprescindível comprovar que os íons funcionam efetivamente como qubits controláveis. Lasers com frequências ajustadas com cuidado permitem alterar os estados internos das partículas. Pulsos específicos podem preparar superposições e executar operações sobre os qubits. Em uma cadeia com múltiplos íons, o próximo objetivo é gerar estados emaranhados e executar sequências de operações que representem cálculos quânticos.
O estrôncio foi selecionado devido às suas características particularmente vantajosas para este tipo de experimento. Certas suas transições eletrônicas facilitam tanto o resfriamento quanto a detecção dos íons. Além disso, uma transição extremamente estreita permite manter um estado excitado por tempo suficiente para que a informação possa ser manipulada. Tais atributos tornam o elemento uma escolha apropriada para experimentos que demandam controle preciso de partículas singulares.
Avanço na capacitação científica brasileira
A construção da armadilha também representa um avanço na formação científica do Brasil. Embora o país já possuísse uma base sólida em átomos neutros, a consolidação de uma plataforma de íons abre caminho para o surgimento de uma nova geração de especialistas. Fritsch salientou que, ao ter essa tecnologia dentro da Universidade, é possível formar alunos e criar este grupo de pesquisa, fornecendo mão de obra qualificada para a computação quântica, tema central na pesquisa e indústria atuais.
A infraestrutura já existente no IFSC-USP auxiliou neste processo. O Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica (CEPOF), coordenado pelo professor Vanderlei Bagnato, concentra experiência em óptica, lasers, sistemas de vácuo e resfriamento de átomos. Esses conhecimentos são aplicados diretamente na nova linha de investigação. A armadilha foi fabricada no Brasil e instalada em um laboratório do instituto.
O projeto teve início em dezembro de 2024, dedicando os primeiros meses à aquisição de equipamentos, montagem do sistema e construção da armadilha. O primeiro resultado significativo foi a produção, captura e observação dos íons de estrôncio. Apesar de o experimento ainda estar em fase preliminar e sem publicação científica formal sobre o achado, esta conquista estabelece a fundação para os testes vindouros.
Segundo Bagnato, este resultado posiciona o Brasil em um ponto inicial favorável para prosseguir no desenvolvimento da computação quântica. Ele declarou em um comunicado que, com o sucesso no aprisionamento de íons, a pesquisa brasileira entrou no mapa, sendo este um dos hardwares necessários para o avanço da computação quântica.
Ressalta-se que a Armadilha de Paul ainda não constitui um computador quântico completo; o próximo passo é utilizar os íons aprisionados como qubits e realizar as primeiras operações de processamento quântico.
