Pesquisadores do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP) conseguiram, pela primeira vez no Brasil, aprisionar íons frios usando puramente o campo elétrico (Armadilha do tipo Paul).O experimento foi realizado com átomos de estrôncio transformados em partículas eletricamente carregadas e mantidos em uma região minúscula do espaço. A conquista cria no país uma plataforma experimental que poderá ser usada para desenvolver e testar qubits.Em resumo:Pesquisador da USP consegue aprisionar íons frios pela primeira vez no Brasil usando Armadilha do tipo Paul;Estrôncio ionizado foi resfriado e confinado por campos elétricos;Armadilha cria plataforma nacional para desenvolver futuros qubits;Próxima etapa envolve controlar estados quânticos e realizar operações;Tecnologia também pode melhorar medições e relógios de alta precisão;Infraestrutura fortalece pesquisa brasileira em computação quântica.O trabalho é liderado pelo físico Amilson Rogelso Fritsch, Jovem Pesquisador apoiado pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) por meio do Programa Quantum Technologies Initiative (QuTIa). O resultado foi alcançado cerca de 18 meses depois do início do projeto. A próxima etapa será avançar do confinamento das partículas para o controle de seus estados quânticos, condição necessária para realizar operações de processamento de informação.Representação do dispositivo utilizado no experimento – Crédito: Amilson Rogelso FritschPesquisadores superam o desafio técnico do aprisionamento de íonsEm entrevista ao Olhar Digital, Fritsch explicou que o país ainda não possuía nenhum experimento dedicado à computação quântica baseada em íons aprisionados. Segundo ele, embora existam dispositivos voltados ao ensino ou iniciativas como a do professor Cláudio Lenz Cesar, no Rio de Janeiro, focada em estudos com antimatéria, o Brasil precisava de uma plataforma própria para hardware quântico. “Para computação quântica, os sistemas mais promissores da atualidade são os sistemas com íons aprisionados e os supercondutores, liderando não apenas as pesquisas como também os investimentos, e mais recentemente sistemas com átomos neutros passaram a receber atenção”.Com o sucesso do projeto, a infraestrutura criada também abrirá portas para aplicações em metrologia de alta precisão. “No futuro próximo, a nossa capacidade é não só fazer computação quântica, mas também medidas de precisão, principalmente no padrão da definição do segundo, já que relógios ópticos de íons aprisionados detêm o recorde mundial de precisão e estabilidade”, destaca o físico.Para manter os íons presos, a equipe utiliza uma Armadilha de Paul, técnica criada pelo físico alemão Wolfgang Paul na década de 1950. O dispositivo emprega campos elétricos que oscilam em alta frequência. No experimento, essa variação ocorre aproximadamente 18 milhões de vezes por segundo. Como o campo muda rapidamente de direção, os íons não conseguem acompanhá-lo e escapar. O efeito médio das forças mantém as partículas concentradas no centro.O confinamento ocorre em diferentes direções. Na parte transversal, o campo elétrico oscilante impede que os íons se afastem do eixo central. No sentido longitudinal, um campo elétrico estático evita que eles escapem pelas extremidades. O pesquisador detalha que o maior desafio prático não é gerar a oscilação, mas posicionar e estabilizar o átomo exatamente no centro da armadilha. “A parte mais difícil não é nem tanto controlar essa oscilação, mas é justamente colocar o íon na parte central da armadilha, porque se o átomo sai do centro, ele começa a sentir o campo dinâmico e é empurrado para os lados”. Para contornar isso, a equipe de Fritsch utiliza campos estáticos de suporte e reajustes periódicos para garantir a estabilidade do sistema ao longo do dia. Quando várias partículas são capturadas, suas cargas positivas provocam repulsão mútua, gerando uma pequena cadeia alinhada e separada por apenas alguns micrômetros.Imagem real dos íons aprisionados. – Crédito: Amilson Rogelso FritschLasers resfriam e controlam partículas com precisão micrométricaAntes de chegar à armadilha, os pesquisadores começam com átomos neutros de estrôncio. Feixes de laser retiram um elétron de cada átomo, transformando-o em um íon positivo. As partículas são então confinadas dentro de uma câmara de ultra-alto vácuo. Esse ambiente é fundamental porque colisões com moléculas residuais poderiam expulsar os íons ou perturbar os estados quânticos que os cientistas precisam controlar.Embora a câmara permaneça em temperatura ambiente, os íons são resfriados por lasers. O objetivo é reduzir sua movimentação a níveis inferiores a um milikelvin, aproximando o sistema do estado quântico fundamental. Quanto menor a agitação das partículas, maior é a precisão disponível para manipular sua informação. Movimentos térmicos excessivos poderiam interferir nas operações realizadas sobre os estados quânticos.As imagens obtidas mostram pontos luminosos correspondentes aos próprios íons aprisionados. Cada ponto representa uma partícula individual. A quantidade de íons também pode ser controlada, permitindo trabalhar com uma única partícula ou com cadeias contendo várias delas. Essa característica é importante porque lasers podem ser direcionados a íons específicos, possibilitando alterar seus estados sem necessariamente realizar a mesma operação sobre os vizinhos.Fritsch ressalta que o grau de isolamento e o foco do laser permitem uma precisão cirúrgica na manipulação individual. “A gente consegue focalizar um laser de forma bem pequenininha e manipular um deles só na armadilha, com uma fidelidade muito melhor do que 99.99%, sem afetar o átomo que está ao redor”, pontua, acrescentando que o sistema também permite operar toda a cadeia de partículas de forma simultânea quando necessário.É nesse ponto que o experimento começa a se conectar diretamente à computação quântica. Nos computadores convencionais, a menor unidade de informação é o bit, que pode assumir o valor 0 ou 1. No sistema de íons aprisionados, dois estados internos de cada partícula podem desempenhar essa função, formando um qubit. A diferença é que, pelas leis da mecânica quântica, o qubit também pode permanecer em uma superposição dos estados 0 e 1.Uma maneira simples de visualizar essa diferença é imaginar uma moeda. Um bit seria parecido com a moeda depois de cair sobre a mesa, mostrando cara ou coroa. O qubit pode ser comparado, de forma aproximada, à moeda enquanto gira. A analogia tem limitações, mas ajuda a entender que um estado quântico pode combinar os dois valores. Quando ocorre a medição, porém, o resultado observado é sempre 0 ou 1.Diagrama mostra o experimento – Crédito: Imagem gerada por IAÁtomos de estrôncio viabilizam computação quântica no Brasil Outra propriedade fundamental é o emaranhamento quântico. Ele permite criar correlações entre dois ou mais qubits, fazendo com que o sistema seja tratado como um conjunto. Algoritmos quânticos podem explorar essas correlações, além da superposição e da interferência, para aumentar a probabilidade de determinados resultados. Essa estratégia pode oferecer vantagens em problemas específicos que são difíceis de resolver de maneira eficiente com computadores convencionais.Isso não significa que computadores quânticos serão simplesmente máquinas mais rápidas para qualquer tarefa. Seu potencial está associado a determinados tipos de problemas. Entre os exemplos mais estudados está a simulação de átomos e moléculas, que pode contribuir para pesquisas envolvendo novos materiais e medicamentos. O pesquisador enfatiza que a arquitetura quântica é desenhada para lidar com a essência da matéria. “Para eu simular coisas que acontecem a nível atômico, eu preciso ter um computador que também seja capaz de responder a nível atômico; resolver problemas quânticos será muito mais viável e rápido se eu usar alguma coisa que seja quântica”, aponta, citando também impactos futuros na segurança de dados contra fraudes e transações financeiras complexas.Para chegar a esse estágio, ainda será necessário demonstrar que os íons podem funcionar efetivamente como qubits controláveis. Lasers com frequências cuidadosamente ajustadas permitem alterar os estados internos das partículas. Pulsos específicos podem preparar superposições e realizar operações sobre os qubits. Em uma cadeia com vários íons, o objetivo seguinte é produzir estados emaranhados e executar sequências de operações capazes de representar cálculos quânticos.O estrôncio foi escolhido porque possui características especialmente úteis para esse tipo de experimento. Algumas de suas transições eletrônicas facilitam o resfriamento e a detecção dos íons. Outra transição, extremamente estreita, permite manter um estado excitado por tempo suficiente para que a informação seja manipulada. Essas propriedades tornam o elemento uma opção adequada para experimentos que exigem controle preciso de partículas individuais.Leia mais:Computação quântica: tecnologia revolucionária não substituirá seu notebookÉ como achar Jesus numa torrada: físico questiona pesquisa central da Microsoft em computação quânticaAmazon revela quando a computação quântica será útilA construção da armadilha representa também um avanço na capacitação científica brasileira. Embora o país já contasse com forte base em átomos neutros, a consolidação de uma plataforma de íons abre caminho para a formação de uma nova geração de especialistas. “Tendo esta tecnologia dentro da Universidade, conseguimos formar estudantes e criar este grupo de pesquisa, onde os nossos estudantes fornecerão essa mão de obra qualificada para a computação quântica, que é um dos grandes tópicos da atualidade em termos de pesquisa e indústria”, ressalta Fritsch.A infraestrutura existente no IFSC-USP ajudou nesse processo. O Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica (CEPOF), coordenado pelo professor Vanderlei Bagnato, reúne experiência em lasers, óptica, sistemas de vácuo e resfriamento de átomos. Esses conhecimentos são diretamente aproveitados na nova linha de pesquisa. A armadilha foi construída no Brasil e instalada em um laboratório do instituto.O projeto começou em dezembro de 2024 e concentrou os primeiros meses na aquisição de equipamentos, montagem do sistema e construção da armadilha. O primeiro grande resultado foi a produção, captura e observação dos íons de estrôncio. Embora o experimento ainda esteja em fase inicial e não haja artigo científico publicado sobre o resultado, a conquista estabelece a base para os próximos testes.Segundo Bagnato, o resultado coloca o Brasil em uma posição inicial para avançar no desenvolvimento da computação quântica. “Agora, com o sucesso no aprisionamento de íons, a pesquisa brasileira está no mapa. Esse é um dos hardwares necessários para o desenvolvimento da computação quântica”, afirma o professor em um comunicado.A Armadilha de Paul ainda não é um computador quântico completo. O próximo passo é usar os íons aprisionados como qubits e realizar as primeiras operações de processamento quântico.O post Brasil dá um passo próprio rumo à computação quântica apareceu primeiro em Olhar Digital.