Pesquisa do PPPL transforma defeitos em diamantes em moléculas simuláveis e encontra centros de boro e oxigênio.
Um pequeno agrupamento de átomos dentro de um diamante pode funcionar como unidade de informação de um computador quântico. O problema é descobrir, antes de fabricar o material, como esse conjunto vai reagir à luz e às micro-ondas. Uma pesquisa do Princeton Plasma Physics Laboratory, nos Estados Unidos, apresentou um método para fazer essa previsão com mais rapidez e identificou defeitos baseados em boro e oxigênio que podem ser úteis em futuros qubits de diamante.
O trabalho foi conduzido pelo cientista Mark Martirez, do PPPL, laboratório ligado ao Departamento de Energia dos Estados Unidos, e publicado na revista ACS Central Science. A estratégia troca uma simulação extremamente pesada por uma abordagem inspirada na química molecular: em vez de calcular o diamante inteiro, os pesquisadores isolam a vizinhança imediata do defeito e estudam esse trecho como se fosse uma molécula.
O defeito que transforma o diamante em dispositivo
O diamante puro é formado por átomos de carbono organizados em uma estrutura rígida. Para uso quântico, porém, a regularidade precisa ser interrompida. Um átomo pode desaparecer de sua posição, ser substituído por outro elemento ou produzir uma combinação das duas situações.
Essas imperfeições não são apenas falhas do material. Os átomos ao redor delas formam centros capazes de armazenar e processar informação quântica. É nesse sistema que fica o qubit, a unidade que pode assumir estados quânticos e ser manipulada por estímulos luminosos ou eletromagnéticos.
A maioria dos estudos sobre diamantes quânticos se concentra no chamado centro nitrogênio-vacância. Nele, um átomo de carbono é substituído por nitrogênio e uma posição vizinha permanece vazia. Quando recebe luz laser, esse centro pode emitir luz vermelha, característica que ajuda os pesquisadores a identificar seu estado.
Como a química reduziu o peso dos cálculos
Simular todos os átomos de um material sólido exige grande capacidade computacional. A equipe de Martirez contornou parte desse obstáculo recortando grupos de 16 a 30 átomos ao redor da imperfeição. Esses grupos foram tratados como moléculas isoladas, permitindo o uso de ferramentas desenvolvidas há décadas para analisar compostos químicos.
O procedimento não reproduz cada detalhe do diamante inteiro, mas concentra o cálculo na região que mais influencia o comportamento do qubit. Com isso, os cientistas conseguiram testar com mais velocidade a resposta das estruturas a pulsos de laser e micro-ondas.
Segundo o PPPL, o método permite simular defeitos quânticos com um custo computacional comparável ao de modelar uma molécula simples. Essa redução abre espaço para avaliar um número maior de combinações químicas antes de passar à etapa experimental.
Centros de cores diferentes podem ter funções distintas
Os cálculos apontaram estruturas baseadas em boro e oxigênio como candidatas a novos centros quânticos. Os defeitos associados ao oxigênio emitem luz azul, enquanto os relacionados ao boro podem emitir radiação ultravioleta. A diferença de cor não é apenas visual: ela pode ajudar a separar sinais e controlar centros diferentes dentro de um mesmo dispositivo.
Uma possibilidade levantada pelos pesquisadores é combinar qubits com respostas ópticas distintas. Assim, um laser poderia ser ajustado para interagir com um centro específico sem perturbar outro. Essa seletividade seria útil em sensores que precisem registrar mais de um tipo de informação ou operar com vários qubits próximos.
O resultado ainda é uma indicação baseada em simulações e não uma demonstração de um computador quântico comercial. A utilidade de cada defeito dependerá de testes sobre estabilidade, fabricação, controle e capacidade de manter o estado quântico durante o tempo necessário.
Por que operar fora de temperaturas extremas importa
Muitos materiais estudados para tecnologias quânticas só preservam um estado estável quando resfriados a temperaturas muito baixas. Esse requisito torna os equipamentos maiores, mais caros e difíceis de levar para ambientes fora de laboratórios especializados.
Os centros quânticos em diamantes são investigados porque podem funcionar em temperatura ambiente. Isso não significa que um sensor baseado neles esteja pronto para uso amplo, mas reduz uma das barreiras de engenharia para equipamentos menores, mais resistentes e potencialmente instaláveis em locais remotos.
Essa característica tem interesse para a Amazônia, onde equipamentos de monitoramento podem precisar operar longe de centros urbanos, redes elétricas robustas e estruturas de refrigeração. Sensores quânticos ainda não substituem as tecnologias usadas hoje em pesquisas ambientais nos estados do Acre, Amapá, Amazonas, Maranhão, Mato Grosso, Pará, Rondônia, Roraima e Tocantins. A conexão, neste momento, está no potencial de criar instrumentos mais sensíveis para medir campos magnéticos, variações ambientais e sinais difíceis de detectar com dispositivos convencionais.
Uma aproximação entre física, química e materiais
O estudo também propõe uma mudança de perspectiva. Os qubits em sólidos costumam ser tratados principalmente como um problema de física. Ao descrevê-los como estruturas químicas, os pesquisadores podem aplicar princípios usados para projetar moléculas com propriedades específicas, como ocorre no desenvolvimento de medicamentos e de novos materiais.
Essa troca de linguagem pode ampliar o conjunto de especialistas envolvidos na área. Químicos têm experiência em relacionar composição, geometria atômica e comportamento eletrônico, conhecimentos que podem ser aplicados ao estudo de defeitos em cristais.
Os autores também levantam uma possibilidade de longo prazo: computadores quânticos mais robustos poderiam melhorar os próprios cálculos de química quântica. Com maior precisão, seria possível estudar moléculas grandes, proteínas e biomoléculas, com possíveis efeitos em setores como farmacologia e ciência dos materiais.
O próximo passo é confrontar as previsões com amostras reais de diamante e medir quanto tempo os novos centros conseguem preservar a informação quântica. Esses testes serão decisivos para saber se as cores identificadas nos cálculos podem se transformar em componentes funcionais de sensores e computadores.
Com informações de Princeton Plasma Physics Laboratory.
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