“`json
{
“title”: “Estudo Brasileiro Revolucionário do IFSC-USP Cria Nova Rota para Computadores Quânticos Mais Estáveis com Fêrmions de Majorana”,
“subtitle”: “Cientistas da USP desvendam como aumentar a robustez de qubits topológicos, transformando “sweet spots” em “ilhas topológicas” para uma computação quântica resiliente.”,
“content_html”: “
Cientistas brasileiros avançam na estabilização de computadores quânticos
Pesquisadores brasileiros do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP) alcançaram um marco significativo na busca por computadores quânticos mais estáveis. O estudo, publicado como “Editors’ Suggestion” no renomado periódico Physical Review B, desvenda um caminho promissor para superar um dos maiores desafios da computação quântica: a fragilidade dos qubits.
A equipe, liderada por Poliana Heiffig Penteado e José Carlos Egues de Menezes, em colaboração com o ex-estudante de doutorado Rodrigo Abreu Dourado, investigou a criação e a estabilização de estados de Majorana, excitações quânticas que prometem maior robustez contra perturbações externas. A descoberta principal reside na demonstração de que o aumento do tamanho de cadeias de pontos quânticos pode transformar condições de estabilidade isoladas em “ilhas topológicas”, regiões extensas onde os estados de Majorana permanecem protegidos.
Esse avanço é crucial para o desenvolvimento de qubits topológicos, uma arquitetura alternativa de computação quântica que codifica informações de forma não local, tornando-as menos suscetíveis a ruídos e defeitos. A pesquisa não apenas propõe uma solução teórica para a estabilidade quântica, mas também sugere um método experimental concreto para sua detecção, conforme informações divulgadas pelo Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP).
A Fascinante História dos Fêrmions de Majorana e Sua Relevância Atual
A jornada para entender os estados de Majorana começa com uma figura enigmática da física: Ettore Majorana. Em 1937, o brilhante físico italiano, que desapareceu misteriosamente um ano depois, publicou o artigo “Teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone”. Nesse trabalho, ele propôs, como solução para a Equação de Dirac – que une mecânica quântica e relatividade especial e prevê a existência da antimatéria –, a ideia de uma partícula que seria idêntica à sua antipartícula. Esse conceito deu origem ao que hoje conhecemos como fêrmions de Majorana.
Por décadas, o trabalho de Majorana foi considerado uma elegante abstração matemática, sem aparente conexão com o mundo real. Sua importância só começou a ser reconhecida nos anos 1950-60, no contexto da física de neutrinos, e ganhou destaque a partir dos anos 2000, especialmente na física da matéria condensada. Foi nesse campo que se verificou que, embora a existência de fêrmions de Majorana como partículas fundamentais não tenha sido confirmada experimentalmente, um análogo poderia surgir em materiais sólidos.
Esses análogos não são compostos por partículas reais, mas sim por quase-partículas, ou seja, por excitações coletivas do sistema. Em certos tipos de supercondutores – materiais que conduzem corrente elétrica sem resistência abaixo de uma temperatura crítica –, o sistema se comporta como se o fêrmion de Majorana estivesse presente. Os estados de Majorana aparecem tipicamente nas extremidades de fios ou cadeias supercondutoras, onde as excitações eletrônicas se decompõem matematicamente em dois “meios fêrmions”, cada um localizado em uma ponta.
O conjugado quântico não local que eles formam corresponde a um estado de energia zero, o que significa que não altera a energia total do sistema. Essa característica de energia zero e a localização nas extremidades são propriedades cruciais que os tornam candidatos ideais para a construção de qubits mais estáveis na computação quântica, fornecendo uma base robusta para o armazenamento e processamento de informações.
Qubits Topológicos: A Busca por Resiliência na Computação Quântica
A computação quântica promete revolucionar diversas áreas, mas enfrenta um desafio fundamental: a fragilidade dos qubits. Em plataformas quânticas convencionais, a informação é codificada em graus de liberdade locais, o que as torna extremamente sensíveis a imperfeições microscópicas, ruídos do ambiente e flutuações. Essa sensibilidade leva à rápida perda de coerência, um estado essencial para o funcionamento dos computadores quânticos, onde as propriedades quânticas dos qubits são mantidas.
A busca por computadores quânticos capazes de operar de forma confiável, mesmo na presença dessas inevitáveis perturbações, tem impulsionado a pesquisa em diferentes direções. Uma das mais promissoras é a dos qubits topológicos, que utilizam excitações quânticas não convencionais, como os estados de Majorana, para armazenar informações de maneira mais robusta.
A pesquisadora Poliana Heiffig Penteado, do IFSC-USP, explica a vantagem dessa abordagem: “Em plataformas quânticas convencionais, a informação é codificada em graus de liberdade locais e, por isso, torna-se extremamente sensível a imperfeições microscópicas, o que leva à rápida perda de coerência. Já em sistemas que hospedam estados de Majorana, a informação quântica é armazenada de forma não local, distribuída entre regiões espacialmente separadas do dispositivo e protegida por propriedades topológicas globais do sistema, reduzindo a dependência de detalhes locais e tornando esses estados candidatos particularmente promissores para a implementação de qubits mais estáveis”.
Essa natureza não local de armazenamento de informação confere aos qubits topológicos uma resiliência inerente. Ao invés de depender de características precisas de uma única partícula, a informação é codificada nas propriedades topológicas do sistema como um todo, tornando-a imune a pequenas perturbações que poderiam facilmente destruir um qubit convencional. Isso representa um salto qualitativo na busca por computadores quânticos que possam realmente ser aplicados em escala prática.
A Inovação do Estudo Brasileiro: Da Fragilidade à Estabilidade Topológica
O estudo coordenado pelos pesquisadores do IFSC-USP, Poliana Heiffig Penteado e José Carlos Egues de Menezes, em conjunto com Rodrigo Abreu Dourado, centrou-se em investigar como criar e, crucialmente, tornar os estados de Majorana mais estáveis para sua aplicação futura em computação quântica. O ponto de partida foi um modelo teórico fundamental conhecido como cadeia de Kitaev, proposto em 2001 pelo físico russo Alexei Kitaev.
A cadeia de Kitaev descreve um sistema unidimensional de elétrons acoplados por emparelhamento supercondutor, que pode entrar em uma fase topológica. Nessa fase, um fêrmion eletrônico do conjunto se decompõe matematicamente em dois modos de Majorana espacialmente separados e hospedados nas extremidades da cadeia. O estado quântico não local formado por esse par possui energia zero em relação ao estado fundamental, fornecendo a base conceitual para a produção de qubits topológicos protegidos contra perturbações locais.
No entanto, a implementação prática desse modelo enfrentava uma dificuldade significativa. Conforme explica o professor José Carlos Egues de Menezes, “o problema é que, em cadeias muito curtas, como aquelas formadas por apenas dois pontos quânticos, esses estados só aparecem em condições extremamente específicas, conhecidas como sweet spots. Qualquer pequena flutuação nos parâmetros do sistema faz com que a energia desses estados deixe de ser exatamente zero, destruindo a proteção desejada e inviabilizando a observação experimental”. Esses sweet spots exigiam um ajuste fino quase impossível de manter em ambientes reais.
A inovação dos pesquisadores brasileiros residiu em questionar o que aconteceria se o número de pontos quânticos da cadeia fosse aumentado. Eles estudaram um modelo teórico que pode ser implementado na prática usando arranjos de pontos quânticos acoplados a supercondutores. O resultado foi uma descoberta fundamental: aquilo que antes aparecia como um ponto isolado de estabilidade evoluiu, gradualmente, para uma “ilha topológica”, uma região extensa e contínua de parâmetros onde os estados de Majorana permanecem protegidos, marcando uma transição crucial para a viabilidade de computadores quânticos mais robustos.
Como as “Ilhas Topológicas” Protegem a Informação Quântica
A principal contribuição do estudo do IFSC-USP é a demonstração de que a fragilidade inicial dos estados de Majorana em cadeias curtas pode ser superada pelo aumento do tamanho do sistema. Quando a cadeia de Kitaev é estendida, os “sweet spots” – aqueles pontos de ajuste fino onde os majoranas podiam existir brevemente – deixam de ser isolados e começam a se agrupar, formando uma região contínua no espaço de parâmetros.
Para cadeias suficientemente longas, com cerca de 20 pontos quânticos ou mais, essa região se transforma em uma verdadeira ilha topológica. Dentro dessa ilha, os estados de Majorana mantêm rigorosamente a energia zero, permanecem bem localizados nas extremidades da cadeia e, crucialmente, tornam-se resistentes até mesmo à presença de flutuações aleatórias nos parâmetros do sistema. Este comportamento representa a transição de um regime frágil para um regime genuinamente topológico, no qual a proteção da informação quântica não depende mais de um ajuste fino preciso e delicado.
Poliana Heiffig Penteado enfatiza a importância dessa transição: “Mostramos que, quando a cadeia fica maior, os sweet spots deixam de ser pontos isolados e passam a se agrupar, formando uma região contínua no espaço. Para cadeias suficientemente longas, com cerca de 20 pontos quânticos ou mais, essa região se transforma em uma verdadeira ilha topológica. Dentro dela, os estados de Majorana permanecem rigorosamente com energia zero, bem localizados nas extremidades da cadeia e resistentes até mesmo à presença de flutuações aleatórias nos parâmetros do sistema. Esse comportamento marca a transição de um regime frágil para um regime genuinamente topológico, no qual a proteção não depende mais de ajuste fino”.
Essa descoberta significa que os qubits topológicos baseados em estados de Majorana poderiam ser muito mais estáveis e confiáveis do que se pensava anteriormente. A informação quântica, ao ser protegida por propriedades topológicas globais do sistema, torna-se intrinsecamente mais robusta contra os erros e a decoerência que assombram os computadores quânticos atuais, pavimentando o caminho para a construção de computadores quânticos mais estáveis e eficientes.
Detectando os Estados de Majorana: Um Método Robusto de Verificação
Além de caracterizar teoricamente a transição para as ilhas topológicas, o estudo brasileiro também propôs uma forma concreta e robusta de detectá-las experimentalmente. Essa é uma questão de debate intenso na comunidade científica internacional, que busca distinguir de forma inequívoca os majoranas genuínos de outras excitações quânticas triviais que podem produzir sinais semelhantes em experimentos.
Inspirados por um trabalho anterior do grupo do IFSC-USP que se tornou referência na área, os pesquisadores acoplaram lateralmente à cadeia de Kitaev um ponto quântico conectado a contatos metálicos. Em seguida, mediram a condutância elétrica do sistema – uma medida da facilidade com que a corrente elétrica atravessa um material, sendo o inverso da resistência elétrica. A beleza desse método reside em sua simplicidade e clareza.
Quando um estado de Majorana está presente e protegido dentro de uma ilha topológica, a condutância assume um valor característico e quantizado, formando um platô em torno da voltagem zero. Esse platô funciona como uma assinatura elétrica robusta do estado topológico, fornecendo uma evidência clara de sua existência. José Carlos Egues argumenta: “A beleza do resultado foi relacionar uma medida elétrica simples, a condutância, com uma propriedade fundamental da partícula [sua estatística]. Se a condutância assume esse valor quantizado, isso indica que a corrente está sendo transportada por um modo de Majorana, e não por uma excitação trivial”.
A pesquisa também demonstrou que a condutância está diretamente relacionada à estatística de troca dos majoranas, conhecida como “braiding”. Diferentemente dos fêrmions usuais, que obedecem ao princípio de Pauli e têm um operador ao quadrado de zero, o operador ao quadrado dos majoranas é ½. Além disso, os estados de borda de Majorana em sistemas de matéria condensada não possuem uma distribuição de Fermi-Dirac, o que os distingue de outras excitações eletrônicas.
Poliana Penteado acrescenta que esse ponto é crucial em um campo de investigação marcado por controvérsias: “Desde os primeiros experimentos, ficou claro que outros fenômenos, como o efeito Kondo, podem gerar sinais parecidos. O desafio sempre foi mostrar que aquele pico na condutância vinha mesmo de um majorana. Nosso trabalho contribui justamente para essa distinção”. Essa capacidade de distinguir os majoranas genuínos é fundamental para o avanço da pesquisa e para a construção de computadores quânticos mais confiáveis.
Impacto Global e o Futuro dos Computadores Quânticos Mais Estáveis
Embora o estudo do IFSC-USP seja de natureza teórica, suas implicações são profundamente práticas e dialogam diretamente com os esforços internacionais para a construção de qubits topológicos. Os pesquisadores utilizaram parâmetros realistas, extraídos de experimentos recentes, garantindo que suas descobertas possam ser replicadas e testadas em laboratórios ao redor do mundo. Empresas de tecnologia de ponta, como a Microsoft, têm investido pesadamente nessa linha de pesquisa, na expectativa de que os majoranas possam, de fato, viabilizar computadores quânticos mais estáveis e escaláveis.
A grande mensagem do trabalho dos pesquisadores brasileiros é que não é necessário um controle absolutamente perfeito e um ajuste fino meticuloso dos parâmetros para observar estados de Majorana robustos. Em vez disso, a solução pode ser mais simples e acessível: basta aumentar o tamanho do sistema. A pesquisa sugere que cadeias com cerca de 20 pontos quânticos ou mais já seriam suficientes para transformar os frágeis “sweet spots” em resilientes “ilhas topológicas”, onde a proteção quântica é intrínseca.
Essa abordagem de aumentar o tamanho do sistema está ao alcance das plataformas experimentais atuais, o que significa que a implementação prática dessa estratégia para construir computadores quânticos mais estáveis pode não estar tão distante. A capacidade de criar qubits que resistem melhor aos ruídos e à decoerência é um passo fundamental para que a computação quântica saia dos laboratórios e se torne uma ferramenta poderosa para resolver problemas complexos em áreas como medicina, ciência dos materiais e inteligência artificial.
O estudo, que recebeu o importante apoio da FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) por meio de um auxílio regular ao projeto “Oscilações de Shubnikov-de-Haas em sistemas eletrônicos de isolantes topológicos e não topológicos”, demonstra a excelência da pesquisa brasileira e sua contribuição para uma das fronteiras mais desafiadoras e promissoras da ciência e tecnologia contemporâneas. Com essa inovação, o Brasil se posiciona como um ator chave no desenvolvimento de tecnologias que moldarão o futuro da computação.
”
}
“`
“`json
{
“title”: “Estudo Brasileiro Revolucionário do IFSC-USP Cria Nova Rota para Computadores Quânticos Mais Estáveis com Fêrmions de Majorana”,
“subtitle”: “Cientistas da USP desvendam como aumentar a robustez de qubits topológicos, transformando “sweet spots” em “ilhas topológicas” para uma computação quântica resiliente.”,
“content_html”: “
Cientistas brasileiros avançam na estabilização de computadores quânticos
Pesquisadores brasileiros do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP) alcançaram um marco significativo na busca por computadores quânticos mais estáveis. O estudo, publicado como “Editors’ Suggestion” no renomado periódico Physical Review B, desvenda um caminho promissor para superar um dos maiores desafios da computação quântica: a fragilidade dos qubits.
A equipe, liderada por Poliana Heiffig Penteado e José Carlos Egues de Menezes, em colaboração com o ex-estudante de doutorado Rodrigo Abreu Dourado, investigou a criação e a estabilização de estados de Majorana, excitações quânticas que prometem maior robustez contra perturbações externas. A descoberta principal reside na demonstração de que o aumento do tamanho de cadeias de pontos quânticos pode transformar condições de estabilidade isoladas em “ilhas topológicas”, regiões extensas onde os estados de Majorana permanecem protegidos.
Esse avanço é crucial para o desenvolvimento de qubits topológicos, uma arquitetura alternativa de computação quântica que codifica informações de forma não local, tornando-as menos suscetíveis a ruídos e defeitos. A pesquisa não apenas propõe uma solução teórica para a estabilidade quântica, mas também sugere um método experimental concreto para sua detecção, conforme informações divulgadas pelo Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP).
A Fascinante História dos Fêrmions de Majorana e Sua Relevância Atual
A jornada para entender os estados de Majorana começa com uma figura enigmática da física: Ettore Majorana. Em 1937, o brilhante físico italiano, que desapareceu misteriosamente um ano depois, publicou o artigo “Teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone”. Nesse trabalho, ele propôs, como solução para a Equação de Dirac – que une mecânica quântica e relatividade especial e prevê a existência da antimatéria –, a ideia de uma partícula que seria idêntica à sua antipartícula. Esse conceito deu origem ao que hoje conhecemos como fêrmions de Majorana.
Por décadas, o trabalho de Majorana foi considerado uma elegante abstração matemática, sem aparente conexão com o mundo real. Sua importância só começou a ser reconhecida nos anos 1950-60, no contexto da física de neutrinos, e ganhou destaque a partir dos anos 2000, especialmente na física da matéria condensada. Foi nesse campo que se verificou que, embora a existência de fêrmions de Majorana como partículas fundamentais não tenha sido confirmada experimentalmente, um análogo poderia surgir em materiais sólidos.
Esses análogos não são compostos por partículas reais, mas sim por quase-partículas, ou seja, por excitações coletivas do sistema. Em certos tipos de supercondutores – materiais que conduzem corrente elétrica sem resistência abaixo de uma temperatura crítica –, o sistema se comporta como se o fêrmion de Majorana estivesse presente. Os estados de Majorana aparecem tipicamente nas extremidades de fios ou cadeias supercondutoras, onde as excitações eletrônicas se decompõem matematicamente em dois “meios fêrmions”, cada um localizado em uma ponta.
O conjugado quântico não local que eles formam corresponde a um estado de energia zero, o que significa que não altera a energia total do sistema. Essa característica de energia zero e a localização nas extremidades são propriedades cruciais que os tornam candidatos ideais para a construção de qubits mais estáveis na computação quântica, fornecendo uma base robusta para o armazenamento e processamento de informações.
Qubits Topológicos: A Busca por Resiliência na Computação Quântica
A computação quântica promete revolucionar diversas áreas, mas enfrenta um desafio fundamental: a fragilidade dos qubits. Em plataformas quânticas convencionais, a informação é codificada em graus de liberdade locais, o que as torna extremamente sensíveis a imperfeições microscópicas, ruídos do ambiente e flutuações. Essa sensibilidade leva à rápida perda de coerência, um estado essencial para o funcionamento dos computadores quânticos, onde as propriedades quânticas dos qubits são mantidas.
A busca por computadores quânticos capazes de operar de forma confiável, mesmo na presença dessas inevitáveis perturbações, tem impulsionado a pesquisa em diferentes direções. Uma das mais promissoras é a dos qubits topológicos, que utilizam excitações quânticas não convencionais, como os estados de Majorana, para armazenar informações de maneira mais robusta.
A pesquisadora Poliana Heiffig Penteado, do IFSC-USP, explica a vantagem dessa abordagem: “Em plataformas quânticas convencionais, a informação é codificada em graus de liberdade locais e, por isso, torna-se extremamente sensível a imperfeições microscópicas, o que leva à rápida perda de coerência. Já em sistemas que hospedam estados de Majorana, a informação quântica é armazenada de forma não local, distribuída entre regiões espacialmente separadas do dispositivo e protegida por propriedades topológicas globais do sistema, reduzindo a dependência de detalhes locais e tornando esses estados candidatos particularmente promissores para a implementação de qubits mais estáveis”.
Essa natureza não local de armazenamento de informação confere aos qubits topológicos uma resiliência inerente. Ao invés de depender de características precisas de uma única partícula, a informação é codificada nas propriedades topológicas do sistema como um todo, tornando-a imune a pequenas perturbações que poderiam facilmente destruir um qubit convencional. Isso representa um salto qualitativo na busca por computadores quânticos que possam realmente ser aplicados em escala prática.
A Inovação do Estudo Brasileiro: Da Fragilidade à Estabilidade Topológica
O estudo coordenado pelos pesquisadores do IFSC-USP, Poliana Heiffig Penteado e José Carlos Egues de Menezes, em conjunto com Rodrigo Abreu Dourado, centrou-se em investigar como criar e, crucialmente, tornar os estados de Majorana mais estáveis para sua aplicação futura em computação quântica. O ponto de partida foi um modelo teórico fundamental conhecido como cadeia de Kitaev, proposto em 2001 pelo físico russo Alexei Kitaev.
A cadeia de Kitaev descreve um sistema unidimensional de elétrons acoplados por emparelhamento supercondutor, que pode entrar em uma fase topológica. Nessa fase, um fêrmion eletrônico do conjunto se decompõe matematicamente em dois modos de Majorana espacialmente separados e hospedados nas extremidades da cadeia. O estado quântico não local formado por esse par possui energia zero em relação ao estado fundamental, fornecendo a base conceitual para a produção de qubits topológicos protegidos contra perturbações locais.
No entanto, a implementação prática desse modelo enfrentava uma dificuldade significativa. Conforme explica o professor José Carlos Egues de Menezes, “o problema é que, em cadeias muito curtas, como aquelas formadas por apenas dois pontos quânticos, esses estados só aparecem em condições extremamente específicas, conhecidas como sweet spots. Qualquer pequena flutuação nos parâmetros do sistema faz com que a energia desses estados deixe de ser exatamente zero, destruindo a proteção desejada e inviabilizando a observação experimental”. Esses sweet spots exigiam um ajuste fino quase impossível de manter em ambientes reais.
A inovação dos pesquisadores brasileiros residiu em questionar o que aconteceria se o número de pontos quânticos da cadeia fosse aumentado. Eles estudaram um modelo teórico que pode ser implementado na prática usando arranjos de pontos quânticos acoplados a supercondutores. O resultado foi uma descoberta fundamental: aquilo que antes aparecia como um ponto isolado de estabilidade evoluiu, gradualmente, para uma “ilha topológica”, uma região extensa e contínua de parâmetros onde os estados de Majorana permanecem protegidos, marcando uma transição crucial para a viabilidade de computadores quânticos mais robustos.
Como as “Ilhas Topológicas” Protegem a Informação Quântica
A principal contribuição do estudo do IFSC-USP é a demonstração de que a fragilidade inicial dos estados de Majorana em cadeias curtas pode ser superada pelo aumento do tamanho do sistema. Quando a cadeia de Kitaev é estendida, os “sweet spots” – aqueles pontos de ajuste fino onde os majoranas podiam existir brevemente – deixam de ser isolados e começam a se agrupar, formando uma região contínua no espaço de parâmetros.
Para cadeias suficientemente longas, com cerca de 20 pontos quânticos ou mais, essa região se transforma em uma verdadeira ilha topológica. Dentro dessa ilha, os estados de Majorana mantêm rigorosamente a energia zero, permanecem bem localizados nas extremidades da cadeia e, crucialmente, tornam-se resistentes até mesmo à presença de flutuações aleatórias nos parâmetros do sistema. Este comportamento representa a transição de um regime frágil para um regime genuinamente topológico, no qual a proteção da informação quântica não depende mais de um ajuste fino preciso e delicado.
Poliana Heiffig Penteado enfatiza a importância dessa transição: “Mostramos que, quando a cadeia fica maior, os sweet spots deixam de ser pontos isolados e passam a se agrupar, formando uma região contínua no espaço. Para cadeias suficientemente longas, com cerca de 20 pontos quânticos ou mais, essa região se transforma em uma verdadeira ilha topológica. Dentro dela, os estados de Majorana permanecem rigorosamente com energia zero, bem localizados nas extremidades da cadeia e resistentes até mesmo à presença de flutuações aleatórias nos parâmetros do sistema. Esse comportamento marca a transição de um regime frágil para um regime genuinamente topológico, no qual a proteção não depende mais de ajuste fino”.
Essa descoberta significa que os qubits topológicos baseados em estados de Majorana poderiam ser muito mais estáveis e confiáveis do que se pensava anteriormente. A informação quântica, ao ser protegida por propriedades topológicas globais do sistema, torna-se intrinsecamente mais robusta contra os erros e a decoerência que assombram os computadores quânticos atuais, pavimentando o caminho para a construção de computadores quânticos mais estáveis e eficientes.
Detectando os Estados de Majorana: Um Método Robusto de Verificação
Além de caracterizar teoricamente a transição para as ilhas topológicas, o estudo brasileiro também propôs uma forma concreta e robusta de detectá-las experimentalmente. Essa é uma questão de debate intenso na comunidade científica internacional, que busca distinguir de forma inequívoca os majoranas genuínos de outras excitações quânticas triviais que podem produzir sinais semelhantes em experimentos.
Inspirados por um trabalho anterior do grupo do IFSC-USP que se tornou referência na área, os pesquisadores acoplaram lateralmente à cadeia de Kitaev um ponto quântico conectado a contatos metálicos. Em seguida, mediram a condutância elétrica do sistema – uma medida da facilidade com que a corrente elétrica atravessa um material, sendo o inverso da resistência elétrica. A beleza desse método reside em sua simplicidade e clareza.
Quando um estado de Majorana está presente e protegido dentro de uma ilha topológica, a condutância assume um valor característico e quantizado, formando um platô em torno da voltagem zero. Esse platô funciona como uma assinatura elétrica robusta do estado topológico, fornecendo uma evidência clara de sua existência. José Carlos Egues argumenta: “A beleza do resultado foi relacionar uma medida elétrica simples, a condutância, com uma propriedade fundamental da partícula [sua estatística]. Se a condutância assume esse valor quantizado, isso indica que a corrente está sendo transportada por um modo de Majorana, e não por uma excitação trivial”.
A pesquisa também demonstrou que a condutância está diretamente relacionada à estatística de troca dos majoranas, conhecida como “braiding”. Diferentemente dos fêrmions usuais, que obedecem ao princípio de Pauli e têm um operador ao quadrado de zero, o operador ao quadrado dos majoranas é ½. Além disso, os estados de borda de Majorana em sistemas de matéria condensada não possuem uma distribuição de Fermi-Dirac, o que os distingue de outras excitações eletrônicas.
Poliana Penteado acrescenta que esse ponto é crucial em um campo de investigação marcado por controvérsias: “Desde os primeiros experimentos, ficou claro que outros fenômenos, como o efeito Kondo, podem gerar sinais parecidos. O desafio sempre foi mostrar que aquele pico na condutância vinha mesmo de um majorana. Nosso trabalho contribui justamente para essa distinção”. Essa capacidade de distinguir os majoranas genuínos é fundamental para o avanço da pesquisa e para a construção de computadores quânticos mais confiáveis.
Impacto Global e o Futuro dos Computadores Quânticos Mais Estáveis
Embora o estudo do IFSC-USP seja de natureza teórica, suas implicações são profundamente práticas e dialogam diretamente com os esforços internacionais para a construção de qubits topológicos. Os pesquisadores utilizaram parâmetros realistas, extraídos de experimentos recentes, garantindo que suas descobertas possam ser replicadas e testadas em laboratórios ao redor do mundo. Empresas de tecnologia de ponta, como a Microsoft, têm investido pesadamente nessa linha de pesquisa, na expectativa de que os majoranas possam, de fato, viabilizar computadores quânticos mais estáveis e escaláveis.
A grande mensagem do trabalho dos pesquisadores brasileiros é que não é necessário um controle absolutamente perfeito e um ajuste fino meticuloso dos parâmetros para observar estados de Majorana robustos. Em vez disso, a solução pode ser mais simples e acessível: basta aumentar o tamanho do sistema. A pesquisa sugere que cadeias com cerca de 20 pontos quânticos ou mais já seriam suficientes para transformar os frágeis “sweet spots” em resilientes “ilhas topológicas”, onde a proteção quântica é intrínseca.
Essa abordagem de aumentar o tamanho do sistema está ao alcance das plataformas experimentais atuais, o que significa que a implementação prática dessa estratégia para construir computadores quânticos mais estáveis pode não estar tão distante. A capacidade de criar qubits que resistem melhor aos ruídos e à decoerência é um passo fundamental para que a computação quântica saia dos laboratórios e se torne uma ferramenta poderosa para resolver problemas complexos em áreas como medicina, ciência dos materiais e inteligência artificial.
O estudo, que recebeu o importante apoio da FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) por meio de um auxílio regular ao projeto “Oscilações de Shubnikov-de-Haas em sistemas eletrônicos de isolantes topológicos e não topológicos”, demonstra a excelência da pesquisa brasileira e sua contribuição para uma das fronteiras mais desafiadoras e promissoras da ciência e tecnologia contemporâneas. Com essa inovação, o Brasil se posiciona como um ator chave no desenvolvimento de tecnologias que moldarão o futuro da computação.
”
}
“`
