José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – Pesquisadores do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP) conseguiram, pela primeira vez no Brasil, aprisionar íons frios em uma armadilha, utilizando apenas campos elétricos para manter átomos eletricamente carregados confinados em uma região muito pequena do espaço. O experimento, realizado com íons de estrôncio, representa um passo inicial para o desenvolvimento no país de uma das principais plataformas utilizadas na computação quântica.

O experimento foi liderado por Amilson Rogelso Fritsch, Jovem Pesquisador apoiado pela FAPESP no âmbito do Programa QuTIa, sigla de Quantum Technologies Initiative. Os resultados foram obtidos apenas 18 meses depois do início do projeto.

“Como os íons possuem carga elétrica, eles podem ser puxados ou empurrados por campos elétricos. Nossa armadilha gera forças capazes de impedir que eles escapem em qualquer direção. Isso foi obtido por meio de um campo elétrico que oscila a aproximadamente 18 megahertz, isto é, 18 milhões de vezes por segundo. A oscilação é tão rápida que os íons simplesmente não conseguem acompanhar as sucessivas mudanças do campo. O efeito médio das forças mantém as partículas confinadas e alinhadas no eixo central da armadilha”, descreve Fritsch.

O sistema empregado é chamado de “Armadilha de Paul”. Recebeu esse nome em homenagem ao físico alemão Wolfgang Paul (1913-1993) – que não deve ser confundido com o físico austríaco Wolfgang Pauli (1900-1958), um dos “papas” da teoria quântica. Na década de 1950, Paul desenvolveu a técnica de confinar partículas carregadas por meio de campos elétricos oscilantes, o que fez com que fosse contemplado, em 1989, com o Prêmio Nobel de Física.

“O experimento começa com átomos neutros de estrôncio, de cada um dos quais é arrancado um elétron por meio de feixes de laser, produzindo íons positivos. Estes são colocados em uma câmara de ultra-alto vácuo. Isso é fundamental, porque colisões com moléculas do ar poderiam expulsá-los da armadilha ou perturbar os delicados estados quânticos que se pretende controlar. Os eletrodos que formam a armadilha ficam dentro da câmara, embora o conjunto opere à temperatura ambiente”, informa Fritsch.

A armadilha foi inteiramente construída no Brasil e instalada em um laboratório do IFSC-USP. A expectativa é avançar da captura dos íons para a sua manipulação como bits quânticos, ou qubits, e realizar as primeiras operações de processamento quântico já nos próximos meses. “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”, entusiasma-se o físico Vanderlei Bagnato, professor titular do IFSC-USP e coordenador do Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica (CEPOF), que foi até junho um Centro de Pesquisa, Inovação e Difusão (CEPID) apoiado pela FAPESP.

A computação quântica pode ser implementada por diferentes plataformas físicas. Entre as mais desenvolvidas, estão os circuitos supercondutores e os íons aprisionados. Neste último caso, o próprio átomo ionizado funciona como suporte físico da informação. Estados internos bem definidos do íon podem representar os valores 0 e 1 e, graças às propriedades da mecânica quântica, também as superposições possíveis desses dois estados. Vários íons podem ainda ser emaranhados, permitindo operações que não têm equivalente direto nos computadores convencionais.

O emaranhamento faz com que dois ou mais qubits passem a compartilhar um único estado quântico, de modo que as operações realizadas sobre um deles modifiquem a configuração do conjunto. Esse recurso pode ser usado para construir portas lógicas – elementos fundamentais em qualquer processamento computacional.

“Essa capacidade superior não significa que computadores quânticos venham simplesmente substituir os atuais ou sejam mais rápidos para qualquer tarefa. Seu grande potencial está em determinadas classes de problemas para as quais fenômenos como superposição e emaranhamento possam ser explorados computacionalmente. Um exemplo particularmente importante é a simulação de átomos e moléculas, com possíveis aplicações no desenvolvimento de novos materiais e fármacos”, esclarece Bagnato.

Para chegar a esse ponto, porém, é preciso primeiro resolver um problema aparentemente elementar: manter um átomo individual parado e isolado durante tempo suficiente para escrever, processar e ler informação nele. “Se ele não for mantido assim, não há como utilizá-lo como elemento de armazenamento e processamento de informação”, resume Bagnato.

Imagem real dos íons aprisionados (foto: Amilson Rogelso Fritsch)

Gaiola feita de campos elétricos

Foi justamente essa etapa que a equipe brasileira conseguiu realizar, com sua versão da “Armadilha de Paul”. Na direção transversal, os íons são confinados por um campo elétrico que oscila em alta frequência. Como o campo muda de sentido muito rapidamente, os íons não conseguem simplesmente acompanhá-lo e escapar: seu movimento médio fica restrito à região central da armadilha. Na direção longitudinal, ou axial, entra em ação um outro campo elétrico, estático, que impede que as partículas saiam pelas extremidades. Quando vários íons são capturados, esse confinamento os mantém na região central, enquanto suas cargas positivas fazem com que se repilam mutuamente. O resultado é uma pequena cadeia: uma sequência de íons alinhados, separados uns dos outros por poucos micrômetros.

“Nas imagens que obtivemos, cada ponto luminoso corresponde a um único íon de estrôncio aprisionado. O que vemos não é uma representação gráfica do experimento, mas íons reais”, pontua Fritsch. Ele acrescenta que o número de partículas pode ser controlado de acordo com o experimento. “Para determinadas aplicações, interessa trabalhar com um único íon; para computação quântica, podem ser formadas cadeias com vários deles. Como os íons se repelem eletricamente e permanecem individualizados, é possível manipular cada um deles separadamente com feixes de laser, realizando operações sobre íons específicos sem atuar diretamente sobre os demais.”

A partir desse controle individual, uma partícula aprisionada pode começar a se transformar em unidade de processamento de informação. “Em uma descrição simplificada, dois estados internos do íon são escolhidos para representar os valores 0 e 1. O estado fundamental pode corresponder ao 0 e um determinado estado excitado, ao 1. Um laser com frequência precisamente ajustada permite promover a transição entre os dois. Se houvesse apenas a possibilidade de colocar cada íon em 0 ou 1, não haveria nisso, em princípio, nada de especificamente quântico do ponto de vista computacional. O salto ocorre porque o laser também permite preparar o íon em uma superposição dos dois estados”, explica Fritsch.

Uma maneira intuitiva e frequentemente utilizada em artigos de divulgação para explicar a diferença entre a computação clássica e a computação quântica é comparar o bit clássico a uma moeda já pousada sobre a mesa: ela mostra cara ou coroa. O qubit se parece mais com a moeda enquanto gira e bamboleia antes de pousar – com a ressalva de que a superposição quântica não corresponde simplesmente a um estado definido que ainda desconhecemos. Seu estado contém simultaneamente componentes correspondentes a 0 e 1, em proporções que determinam a probabilidade de cada resultado.

Ao fazer a medida, porém, nunca se obtém uma mistura dos dois: o resultado é sempre 0 ou 1. Na descrição convencional da mecânica quântica, diz-se que, no ato da medida, a superposição “colapsa” em um desses dois estados. Se o mesmo estado for preparado e medido muitas vezes, ora se obterá 0, ora se obterá 1. A frequência com que cada resultado aparece permite determinar as probabilidades que caracterizavam a superposição antes da medida. Assim, se determinado estado tiver 70% de probabilidade de resultar em 0 e 30% de resultar em 1, uma única medida dará apenas 0 ou 1; mas, preparando e medindo o mesmo estado mil vezes, espera-se obter aproximadamente 700 resultados 0 e 300 resultados 1.

Com vários qubits, entra em cena outra propriedade essencial: o emaranhamento, que cria correlações quânticas entre eles. Isso significa que o computador pode deixar de tratar cada qubit como uma unidade independente e passar a operar sobre o conjunto como um único sistema quântico. A superposição faz com que esse sistema comporte várias combinações possíveis de 0 e 1; o emaranhamento estabelece relações entre essas combinações, de modo que elas deixam de variar independentemente umas das outras. O algoritmo manipula então essas possibilidades correlacionadas e faz com que suas amplitudes quânticas interfiram: algumas se reforçam e outras se cancelam. O cálculo é construído justamente para que, ao final, aumente a probabilidade dos resultados que contêm a informação procurada e diminua a dos demais. Quando o sistema é medido, a superposição colapsa e um resultado é obtido. Para determinados problemas, essa maneira de organizar e filtrar possibilidades pode proporcionar uma grande vantagem sobre a computação clássica.

Antes disso, porém…

Os íons precisam ser fortemente resfriados. No sistema desenvolvido no IFSC, lasers são utilizados para reduzir a agitação dos íons a níveis correspondentes a temperaturas inferiores a um milikelvin – ou seja, algo nas imediações do zero absoluto. “Mais importante do que a temperatura em si”, comenta Fritsch, “é levar o movimento dos íons para muito próximo de seu estado quântico fundamental. Isso permite que os pulsos de laser empregados para escrever e manipular a informação atuem de maneira controlada, sem que o movimento térmico das partículas embaralhe o processo”.

O estrôncio é especialmente conveniente porque apresenta diferentes transições eletrônicas úteis para essas tarefas. Uma transição relativamente larga possibilita que o íon absorva e reemita muitos fótons, propriedade importante para o resfriamento e para sua detecção. Outra transição, extremamente estreita, pode funcionar como uma espécie de memória: o estado excitado persiste por tempo suficiente para que a informação seja manipulada e posteriormente lida.

Todo esse controle é realizado com lasers focalizados, uma tecnologia consolidada no CEPOF. Como os íons de uma cadeia ficam separados por alguns micrômetros, é possível, em princípio, dirigir um feixe a um deles sem realizar exatamente a mesma operação nos vizinhos. Pulsos de duração controlada mudam o estado quântico de cada partícula; sequências mais elaboradas permitem criar superposições e, posteriormente, emaranhar os qubits.

Uma competência que faltava

O resultado tem também uma dimensão de capacitação científica. O Brasil já acumulou experiência considerável em áreas próximas, como resfriamento e aprisionamento de átomos neutros. Contudo, de acordo com Bagnato, faltava desenvolver no país a capacidade experimental de trabalhar com íons aprisionados voltada para esse tipo de aplicação.

A infraestrutura já existente no CEPOF foi decisiva para acelerar o trabalho. O grupo de São Carlos tem longa experiência em resfriamento de átomos e dispõe de equipamentos e conhecimentos em óptica, lasers e sistemas de vácuo que também são necessários para trabalhar com íons. “A infraestrutura que o grupo tem aqui torna possível que isso ocorra de forma mais rápida do que aconteceria em uma universidade que não tivesse essa tradição”, afirma Bagnato.

O projeto começou em dezembro de 2024. Grande parte dos primeiros 18 meses foi consumida pela compra e instalação dos equipamentos e pela construção da própria armadilha. O primeiro resultado concreto foi justamente a produção e o confinamento dos íons de estrôncio e sua observação. Ainda não há artigo científico publicado sobre o experimento.

O Programa QuTIa é uma iniciativa da FAPESP voltada à formação de competências em tecnologias quânticas. Fritsch foi contemplado com o Auxílio Jovem Pesquisador (JP) exatamente para implantar no IFSC-USP essa nova linha experimental. Segundo o cientista, os resultados são promissores e é esperada uma consolidação do projeto ainda maior, dando início a essa nova área de pesquisa na USP.